WO2017155249A1 - 세라믹 기판 제조용 적층 시스템 및 이를 이용한 세라믹 기판의 제조 방법 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a lamination system for producing a ceramic substrate and a method for producing a ceramic substrate.
- a so-called metal bonded ceramic substrate which is conventionally used as an electronic circuit board by bonding a metal such as copper (Cu) and aluminum (Al) to an insulating ceramic substrate such as alumina (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), or the like, It is widely used and used as a component of semiconductor devices.
- a metal such as copper (Cu) and aluminum (Al)
- an insulating ceramic substrate such as alumina (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), or the like.
- a metal plate such as copper is placed in contact with the ceramic substrate, and then heated to a temperature lower than the melting point of copper (1083 ° C) and higher than the eutectic point of copper and oxygen (1065 ° C).
- a direct bonding copper (DBC) method for directly bonding a substrate to a substrate has been developed and commercialized.
- ceramic circuit boards manufactured by an active metal method for joining metal circuit boards through a brazing filler metal layer have also been developed and applied to power semiconductors requiring high reliability.
- Metal-bonded ceramic substrates can be manufactured simultaneously with circuit boards having several identical circuit patterns arranged in a trend of applying a method of forming a desired circuit pattern by chemically etching a metal plate after bonding a metal plate to a ceramic substrate.
- the manufactured circuit board is finally cut into individual products through laser processing.
- the metal bonded ceramic substrate is cut into individual circuit boards, and then the semiconductor is mounted.
- the composite array circuit board is effective only when the cutting line is processed with a laser.
- Due to the large size of the metal-bonded ceramic substrate in the composite array it is not only difficult to transfer the process through automated process or vacuum fixing for mass production due to the warpage of the board, but also due to breakage during loading or transfer. There is also a high probability of failure. Therefore, in order to solve this problem, studies are being actively conducted to improve the warpage of the composite array metal-bonded ceramic substrate.
- Patent Document 1 Domestic Patent Publication No. 10-1280250
- Patent Document 2 Japanese Laid-Open Patent No. 2011-216533
- This invention makes it a technical subject to provide the lamination
- a method of manufacturing a ceramic substrate comprising: loading a ceramic substrate on a mounting tool material in direct contact with a combustion furnace; and placing a lid on the ceramic substrate loaded on the mounting tool material, wherein the lid part Laminating a load tool material such that a predetermined load is applied onto the ceramic substrate.
- the multilayer system for manufacturing a ceramic substrate according to the present invention and a method for manufacturing a ceramic substrate using the same, it is possible to improve the warpage of the manufactured ceramic substrate.
- FIG. 1 is a view showing a lamination system for manufacturing a ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a view showing a lamination system for manufacturing a ceramic substrate according to another embodiment of the present invention.
- FIG 3 is a view showing a lamination system for manufacturing a ceramic substrate according to another embodiment of the present invention.
- the alumina ceramic substrate is manufactured by molding a green sheet by a tape casting method and heat treatment (sintering) at a high temperature in consideration of productivity.
- the ceramic substrate is warped by a long axis or a short axis.
- One is known to be due to the difference in ceramic substrate shrinkage. Due to the horizontal and longitudinal particle arrangement of the green sheet formed by the tape casting method, and the difference between the upper and lower densities, the shrinkage difference occurs during the sintering process, which causes heat and warp in the long axis or short axis.
- the other is warping due to the influence of temperature and cooling rate in the sintering process, which is a heat treatment.
- the larger or thinner the ceramic substrate the greater the likelihood of warpage and the degree of warpage.
- metal bonding mounted on the substrate may not be easy, and thus work efficiency and productivity may be reduced.
- the warpage of the bonded substrate may be affected and a packaging process may not be normally performed in a subsequent process. Since the warpage of the ceramic substrate is closely related to the warpage of the metal bonded substrate, the warpage of the ceramic substrate should be minimized.
- the term "bending" in the present invention means a percentage of the length deformation amount in the thickness direction with respect to the long axis longitudinal direction of each member.
- a support unit 121 supporting a lower portion of the ceramic substrate 122 and a cover portion 123 surrounding the upper portion of the ceramic substrate may include one unit. And a unit tool material 120 to be formed.
- the support part 121 and the cover part 123 may be formed to stack a plurality of unit sets in a lamination system according to an embodiment of the present invention as described below.
- the cover part 123 is located on the upper part of the unit tool material 120 to directly affect the ceramic substrate 122 by heat transfer during the high temperature treatment in the combustion furnace, and to minimize the influence of the load. The action can be performed.
- the stacking system for manufacturing a ceramic substrate of the present invention includes a mounting tool member 110 and the unit tool member, on which the support part 121 of the unit tool member 120 rests and surrounds the unit tool member. Located on the cover 123 of the 120 and includes a load tool 130 for applying a load to the unit tool 120.
- the seating tool 110 is located at the lowest end of the stacking system 100 of the present invention, and does not directly contact the ceramic substrate 122 during the reheating treatment of the ceramic substrate 122,
- the unit tool material 120 is disposed on the mounting tool material 110, and thus serves as a combustion furnace and a lamination system support, and the mounting tool material is heated at a high temperature. Since the slope of the entire lamination system is changed during deformation, an even load may not be applied to the ceramic substrate, and thus a ceramic material having a low deformation rate may be used even at a high temperature.
- the load tool material 130 may serve to increase the flatness of the ceramic substrate by evenly loading the load on the ceramic substrate included in the lamination system 100 at a high temperature.
- the material of the load tool member 130 may be applied to a ceramic-based material that is resistant to deformation at high temperatures and has high thermal conductivity.
- the weight to apply the load of the load tool material 130 may be set to 0.5kg or more and less than 6kg. If the weight of the load tool 130 is less than 0.5kg, the weight is too low may not be easy to improve the warp of the ceramic substrate, if the weight of the load tool 130 is more than 6kg impose too high load Due to this, an excessive load may be applied to the ceramic substrate inside the lamination system, thereby deforming the ceramic substrate.
- the warpage of the ceramic substrate can be improved by performing heat treatment on the warpage of the manufactured ceramic substrate using the lamination system in the combustion furnace. This is to improve the warpage of the ceramic substrate efficiently in terms of the structural aspect of the lamination system, but the inventors have also derived that it is possible to minimize the effective process and failure rate by changing the material of each member in the lamination system .
- the seating tool material 110, the cover 123, the support portion 121, and the load tool material 130 is selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiC, and Si 3 N 4 . It may include one or more, according to an embodiment of the present invention, the mounting tool material 110 includes Al 2 O 3 because it is the lowest end of the lamination system and is not directly in contact with the ceramic substrate SiC may be included for the temperature uniformity at the time of heat processing.
- the cover part 123 may include Al 2 O 3 which can be deformed at a high temperature for a buffering action because the cover part 123 is in direct contact with the ceramic substrate to affect deformation and minimize the influence of the load.
- the 121 and the load tool material 130 may include SiC to resist heat deformation and to evenly transfer heat.
- the mounting tool material 110 and the cover portion 123 may have a thickness of 2 to 20 mm. If the thickness of the mounting tool material is less than 2 mm, it is not good in terms of improving the warpage of the substrate, and if the thickness is more than 20 mm, the warpage size of the ceramic substrate is reduced, but the shape is unevenly changed, which is ineffective.
- the base portion 121 may have a thickness of 2 to 20mm.
- a plurality of unit tool members 120 may be included in the stacking system 100 for efficiency of the process.
- the unit tool material 120 may minimize the above-described warping amount of the ceramic substrate, and increase the number of laminations within the range of the lower weight of the load tool material of the present invention as long as the temperature uniformity of the heat treatment process is maintained. Can be.
- the bending of the seating tool member 110, the cover 123, the support portion 121, and the load tool member 130 according to an embodiment of the present invention is 0.5% of the strain in the thickness direction relative to the length of each tool material long axis It may be: By setting the strain at 0.5% or less, the warpage of the ceramic substrate reheated by the lamination system of the present invention can be improved to 0.5% or less.
- the ceramic substrate 122 may have a thickness of 0.25 mm to 1.0 mm, and the ceramic substrate 122 may be formed of Al 2 O 3 , AlN, and Si 3 N 4 . It may include one or more selected one, may be included in the form of a stack of 1 to 100 sheets in the unit 120, for the efficiency of the process 20 to 40 sheets in a stacked form in the unit 120 It may be included.
- a method of manufacturing a ceramic substrate comprising the steps of loading the ceramic substrate on a mounting tool material in direct contact with the combustion furnace in order to improve the warpage of the ceramic substrate produced by heat treatment and the mounting tool material phase Positioning the lid over the ceramic substrate loaded in, and laminating a load tool material to apply a predetermined load on the lid portion can provide a method of manufacturing a ceramic substrate.
- the loading of the ceramic substrate on the mounting tool material may include laminating a support portion on the mounting tool material and laminating the ceramic substrate on the support portion. And a plurality of ceramic substrates having an upper portion and a lower portion wrapped with the cover part and the pedestal, may be stacked between the mounting tool material and the mounting tool material.
- the cover part, the load tool material, and the support part may be the same or larger in width and width than the ceramic substrate.
- a heat treatment is performed in a combustion furnace, and the heat treatment may be 1200 to 1500 ° C.
- the heat treatment temperature is less than 1200 ° C.
- the warpage change of the ceramic substrate may not be easy.
- the heat treatment temperature is above 1500 ° C., the ceramic substrate and the ceramic substrate may be stuck due to the high temperature, or the ceramic substrate and the mounting tool material and Sticking with the support tool may occur.
- the heating according to an embodiment of the present invention specifically, the stacking system of the present application laminated in the furnace may be disposed in the furnace, and the temperature may be raised from 1200 to 1500 °C from room temperature. Thereafter, the temperature may be maintained for 2 to 8 hours, and further comprising cooling to room temperature.
- the warpage of the ceramic substrate may have a strain in the thickness direction with respect to the major axis length of 0.5% or less.
- Example of this invention is described, the scope of a present invention is not limited to the following Example.
- an Al 2 O 3 substrate having a thickness of 0.38 mm and a major axis length of 190 mm manufactured by a tape casting method was used.
- a supporting part, a mounting tool material, a cover part, and a load tool material having the same width and width as the ceramic substrate were prepared, and a lamination system was formed in the order as shown in FIG. 2.
- the unit tool material in which 40 ceramic substrates were stacked was 5, and a total of 200 ceramic substrates were included in the lamination system.
- the thickness of the support part was 5 mm and included SiC
- the thickness of the seating tool material was 5 mm
- the thickness of the seating tool material was 5 mm
- the thickness of the seating tool material was 5 mm
- the thickness of the seating tool material was 5 mm
- the thickness of the cover part was 5 mm
- Al 2 O 3 was 5 mm
- the loading tool material included SiC, and its weight was 0.5 kg.
- the said lamination system was arrange
- the same heating process was performed after the lamination system was formed like Example 1 except having made the weight of the said load tool material into 3.0 kg, and the ceramic substrate was obtained.
- a copper metal plate having a thickness of 0.3 mm is placed in contact with the surface of the ceramic substrate, and then heated at a temperature of 1065 to 1200 ° C. under a reducing atmosphere in which nitrogen is added thereto.
- the alumina copper bonded substrate was manufactured by the direct copper bonding (DCB) method of directly bonding the ceramic substrate.
- a copper metal bonded alumina substrate was prepared in the same manner as in Example 4 except that the alumina substrate was not subjected to the reheating treatment of the ceramic substrate as in the present example.
- TherMoir (Model PS200) was used as the warpage measuring device.
- Table 1 shows the warpage size (mm) of the ceramic substrate before the heat treatment and the ceramic substrate after the heat treatment
- Table 2 shows the warpage size (mm) of the metal bonded ceramic substrate after the metal bonding process of the ceramic substrate having the warpage difference.
- Example 4 Weight of tool material none 0.5kg 1.5 kg 3 kg Average value of warpage of ceramic substrate after heat treatment 1.31mm0.69% 0.79mm0.42% 0.46mm0.24% 0.82 mm 0.43% Metal Bonded Board Bending Averages 1.39 mm 0.73% 0.81 mm 0.43% 0.52 mm 0.27% 0.88 mm 0.46%
- the warpage of the ceramic substrate increases as the weight of the load tool material increases, and as the warpage of the ceramic substrate decreases, the warpage of the metal-bonded ceramic substrate also decreases.
- Examples 1 to 3 of the present invention which have undergone the warpage improvement process of the ceramic substrate, have an average value of the warpage amount relative to the long axis length of 0.5% or less, so that a defective rate can be minimized in a subsequent mounting process or a bonding process. It was confirmed that a substrate with improved warpage could be obtained.
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Abstract
본 발명은 세라믹 기판의 하부를 지지하는 받침부와 상기 세라믹 기판의 상부를 감싸는 덮개부가 하나의 유닛을 이루는 유닛 도구재, 상기 유닛 도구재의 받침부가 안착하며 상기 유닛 도구재를 감싸는 안착 도구재 및 상기 유닛 도구재의 덮개부 상에 위치하며 상기 유닛 도구재로 하중을 부여하는 하중 도구재를 포함하는 것인 세라믹 기판 제조용 적층 시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 세라믹 기판 제조용 적층 시스템 및 세라믹 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
종래부터 구리(Cu), 알루미늄(Al)과 같은 금속을 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN) 등과 같은 절연성 세라믹 기판에 접합하여 전자 회로 기판으로 사용되는, , 소위 금속 접합 세라믹 기판이 광범위하게 보급되어 반도체장치의 구성 부품으로서 사용되고 있다. 최근에는 전자 기술 발전으로 인해 전자제품의 고집적, 경박단소화가 이루어지면서 금속 접합 세라믹 기판의 열 방출 특성 및 기계적 특성 개선 목적으로 Si3N4 세라믹 기판에 금속판을 접합하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
세라믹 기판과 금속판을 일체로 접합하는 방법으로, 구리와 같은 금속판을 세라믹 기판에 접촉 배치한 후 구리의 융점(1083℃)보다는 낮고 구리 및 산소의 공융점(1065℃)보다는 높은 온도로 가열하여 구리판을 기판에 직접 접합시키는 직접 접합(Direct bonding copper: DBC) 방법이 개발되어 상용화되었다. 또한, 금속 회로기판을 납재층을 통하여 접합하는 활성 금속법에 의해 제조된 세라믹 회로기판 역시 개발되어 고신뢰성을 요구하는 전력 반도체 등에 적용되고 있다.
금속 접합 세라믹 기판은 세라믹 기판에 금속판을 접합시킨 이후에 금속판을 화학적으로 에칭하여 원하는 회로패턴을 형성하는 방법을 적용하는 추세로 여러 개의 동일 회로패턴이 배열된 회로기판을 동시에 제조할 수 있다. 제조된 회로기판은 최종적으로 레이저가공을 통해 개별 제품으로 절단되어 사용된다.
일반적으로, 금속 접합 세라믹기판은 개별 회로기판으로 절단된 이후에 반도체를 실장하는 공정을 거치지만, 생산성 및 작업효율을 높이기 위해서 개별 회로기판이 아닌 동일 회로패턴의 복합 배열 회로 기판을 통째로 적용하기 위해 노력 중이다. 이때, 복합 배열 회로 기판은 레이저로 절단선이 가공된 상태로 적용되어야 효율적이다. 하지만, 복합 배열의 금속 접합 세라믹기판은 개별 회로기판 대비 크기가 커서 기판 휨의 영향으로 인해 대량 생산을 위한 자동화 공정이나 진공 고정을 통한 공정 이송 시 어려움이 클 뿐만 아니라 적재 시나 이송 시에 파손으로 인한 불량이 발생할 가능성 또한 높다. 따라서, 이런 문제점을 해결하기 위해 복합 배열 금속 접합 세라믹기판의 휨을 개선하고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
특허문헌 1 국내 특허공개공보 제10-1280250호
특허문헌 2 일본공개특허 제2011-216533호
본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위한 세라믹 기판 제조용 적층 시스템 및 세라믹 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 의하면, 세라믹 기판의 하부를 지지하는 받침부와 상기 세라믹 기판의 상부를 감싸는 덮개부가 하나의 유닛을 이루는 유닛 도구재, 상기 유닛 도구재의 받침부가 안착하며 상기 유닛 도구재를 감싸는 안착 도구재 및 상기 유닛 도구재의 덮개부 상에 위치하며 상기 유닛 도구재로 하중을 부여하는 하중 도구재를 포함하는 것인 세라믹 기판 제조용 적층 시스템을 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면에 의하면 세라믹 기판의 제조 방법으로서, 세라믹 기판을 연소로와 직접 접하는 안착 도구재 상에 로딩하는 단계 및 상기 안착 도구재 상에 로딩된 세라믹 기판 위로 덮개부를 위치하고, 상기 덮개부 상으로 소정의 하중이 가해지도록 하중 도구재를 적층하는 단계를 포함하는 것인 세라믹 기판의 제조 방법을 제공한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 세라믹 기판 제조용 적층 시스템 및 이를 이용한 세라믹 기판의 제조방법에 따르면, 제조된 세라믹 기판의 휨을 개선 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 기판 제조용 적층 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 세라믹 기판 제조용 적층 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세라믹 기판 제조용 적층 시스템을 나타낸 도면이다.
알루미나 세라믹 기판은 생산성을 고려하여 테잎 캐스팅 방법으로 그린시트를 성형하고 고온에서 가열 처리(소결)하여 제조된다. 세라믹 기판은 장축 또는 단축으로 휨이 발생하는데 휨 발생 원인은 크게 두 가지이다. 하나는 세라믹 기판 수축률의 차이가 원인으로 알려져 있다. 테잎 캐스팅 방법으로 성형된 그린시트의 가로 방향과 세로방향의 입자 배열 및 상부와 하부 밀도차로 인해 가열 처리인 소결 과정에서 수축률 차이가 발생하고 이로 인해 장축 또는 단축방향으로의 휨이 발생한다. 다른 하나는 가열 처리인 소결 과정에서의 온도 및 냉각속도에 의한 영향으로 휨이 발생한다. 세라믹 기판의 크기가 클수록 또는 얇을수록 휨 발생 가능성 및 휨 정도가 크다. 기판의 휨 현상이 발생하면 기판 상에 장착되는 금속 접합이 용이하지 않을 수 있어 작업효율 및 생산성이 떨어지게 된다. 뿐만 아니라 금속 접합 이후에도 접합 기판의 휨에 영향을 주고 후속 공정에서 패키징 과정을 정상적으로 수행할 수 없는 문제점이 발생한다. 세라믹 기판의 휨은 금속 접합 기판의 휨과 밀접한 관련이 있으므로 세라믹 기판의 휨은 최소화시켜야 한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면 세라믹 기판의 휨을 최소화 하고자 기 제조된 세라믹 기판을 재 열처리 할 수 있는 적층 시스템을 제공할 수 있다. 본 발명에 있어서의 '휨' 이라 함은 각 부재들의 장축 길이 방향에 대한 두께 방향의 길이 변형량의 백분율을 의미한다.
구체적으로, 도 1을 참조하면 본 발명의 세라믹 기판 제조용 적층 시스템은 세라믹 기판(122)의 하부를 지지하는 받침부(121)와 상기 세라믹 기판의 상부를 감싸는 덮개부(123)가 하나의 유닛을 이루는 유닛 도구재(120)를 포함한다. 상기 받침부(121) 및 덮개부(123)를 세라믹 기판(122)의 하부 및 상부에 배치함으로써, 연소로에서 고온 가열 처리 과정에서의 효율적인 열 전달을 유도할 수 있고, 받침부(121) 및 덮개부(123)를 포함하는 일 유닛 도구재를 형성하여 후술하는 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 시스템 내에서 다수의 유닛 세트를 적층할 수 있다.
여기서, 상기 덮개부(123)는 유닛 도구재(120)의 상부에 위치하여 세라믹 기판(122)에 연소로에서의 고온 처리시 열 전달에 의하여 직접적인 영향을 주고 하중에 의한 영향을 최소화하기 위해 완충작용을 수행할 수 있다.
또한, 도 1을 참조하면 본 발명의 세라믹 기판 제조용 적층 시스템은 상기 유닛 도구재(120)의 받침부(121)가 안착하며 상기 유닛 도구재를 감싸는 안착 도구재(110) 및 상기 유닛 도구재(120)의 덮개부(123) 상에 위치하며 상기 유닛 도구재(120)에 하중을 부여하는 하중 도구재(130)를 포함한다.
상기 안착 도구재(110)는 본 발명의 적층 시스템(100)에서 최하단부에 위치하고, 세라믹 기판(122)의 재 가열 처리시 세라믹 기판(122)과는 직접적으로 맞닿지는 않고, 고온의 연소로(미도시)의 바닥에 맞닿아져 상기 유닛 도구재(120)가 안착 도구재(110) 상에 배치되는 것이므로, 연소로와 적층 시스템 받침으로서의 역할을 수행하는 것이며, 상기 안착 도구재가 고온에서의 열 변형시 전체 적층 시스템의 기울기가 변동되어 세라믹 기판에 고른 하중을 부여할 수 없으므로, 고온에서도 변형율이 낮은 세라믹 소재를 이용할 수 있다.
상기 하중 도구재(130)는 적층 시스템(100) 내에 포함되는 세라믹 기판에 고온에서 하중을 고르게 부하함으로써, 세라믹 기판의 편평도를 높이는 역할을 수행 할 수 있다. 상기 하중 도구재(130)의 재질은 고온에서 변형에 강하며 열전도도가 높은 세라믹 계열의 재질로 적용할 수 있다.
상기 하중 도구재(130)의 하중을 가하고자 하는 무게는 0.5kg 이상 6kg 미만으로 설정할 수 있다. 상기 하중 도구재(130)의 무게가 0.5kg 미만이면, 그 무게가 너무 낮아 세라믹 기판의 휨 개선이 용이하지 않을 수 있고, 상기 하중 도구재(130)의 무게가 6kg 이상이면 너무 높은 하중의 부과로 인하여 적층 시스템 내부에서의 세라믹 기판에 과도한 하중이 부가되어 세라믹 기판이 오히려 변형될 수 있다.
따라서, 기 제조된 세라믹 기판이 가지고 있는 휨을 연소로에서 상기 적층 시스템을 이용하여 가열 처리를 수행함으로써, 세라믹 기판의 휨을 개선할 수 있다. 이는, 상기 적층 시스템의 구조적인 측면에서 효율적으로 세라믹 기판의 휨을 개선하는 것이지만, 본 발명자들은 상기 적층 시스템 내에서의 각 부재들의 소재를 달리 함으로써, 효율적인 공정 및 불량률을 최소화 할 수 있는 것 또한 도출하였다.
구체적으로는, 상기 안착 도구재(110), 덮개부(123), 받침부(121), 및 하중 도구재(130)는 Al2O3, SiC, 및 Si3N4로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있는 것일 수 있고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 안착 도구재(110)는 적층 시스템의 최하단부이고 세라믹 기판에 직접적으로 맞닿는 부분이 아니므로, Al2O3를 포함할 수 있고, 또는 가열 처리시의 온도 균일성을 위해서는 SiC를 포함할 수 있다.
상기 덮개부(123)는 세라믹 기판과 직접적으로 맞닿아 변형에 영향을 미치고 하중에 의한 영향을 최소화해야 하기 때문에 완충작용을 위하여 고온에서 변형이 가능한 Al2O3를 포함할 수 있으며, 상기 받침부(121) 및 하중 도구재(130)는 열 변형에 강하고 고른 열 전달을 위하여, SiC를 포함하는 것일 수 있다.
상기 안착 도구재(110)와 덮개부(123)는 그 두께가 2 내지 20mm일 수 있다. 상기 안착 도구재의 두께가 2mm 미만이면, 기판 휨 개선 측면에서 좋지 않고, 상기 두께가 20mm 초과이면 세라믹 기판의 휨 크기는 감소하지만 형상이 불균일하게 변화되어 비효과적이다. 또한, 상기 받침부(121)는 그 두께가 2 내지 20mm일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 도 2, 및 도 3을 참조하면 공정의 효율성을 위하여 상기 유닛 도구재(120)가 적층 시스템(100) 내에 다수 포함되는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 유닛 도구재(120)는 세라믹 기판의 상술한 휨량을 최소화 할 수 있고, 열처리 공정의 온도 균일성이 유지되는 한 본 발명의 하중 도구재의 하중량의 범위 내에서 그 적층수를 증가시킬 수 있다.
여기서, 도 2, 및 도 3에서의 도 1과 동일한 부호는 도 1과 동일 기능을 나타내는 동일 부재에 해당한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안착 도구재(110), 덮개부(123), 받침부(121), 및 하중 도구재(130)의 휨은 각 도구재 장축 길이 대비 두께 방향의 변형률이 0.5% 이하일 수 있다. 상기 변형률을 0.5% 이하로 함으로써, 본 발명의 적층 시스템에 의하여 재 가열 처리된 세라믹 기판의 휨을 0.5% 이하로 개선 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 상기 세라믹 기판(122)은 두께가 0.25mm 내지 1.0mm 일 수 있고, 상기 세라믹 기판(122)은 Al2O3, AlN, 및 Si3N4로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있고, 유닛(120) 내에서 1 내지 100매가 적층된 형태로 포함되는 것일 수 있고, 공정의 효율성을 위하여 20 내지 40 매가 적층된 형태로 유닛(120) 내에 포함되는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 세라믹 기판의 제조 방법으로서, 가열 처리되어 제조된 세라믹 기판의 휨을 개선하기 위하여, 세라믹 기판을 연소로와 직접 접하는 안착 도구재 상에 로딩하는 단계 및 상기 안착 도구재 상에 로딩된 세라믹 기판 위로 덮개부를 위치 시키고, 상기 덮개부 상으로 소정의 하중이 가해지도록 하중 도구재를 적층하는 단계를 포함하는 것인 세라믹 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.
여기서, 상기 세라믹 기판을 안착 도구재 상에 로딩하는 단계는 상기 안착 도구재 상에 받침부를 적층하는 단계 및 상기 받침부 상에 상기 세라믹 기판을 적층하는 단계를 포함하는 것일 수 있고, 상기 하중 도구재와 상기 안착 도구재 사이에, 상기 덮개부와 상기 받침대로 상, 하부가 감싸져 있는 세라믹 기판이 다수 개 적층되는 단계를 더 포함할 수 있다.
본원 발명의 제조방법에 의하여 세라믹 기판의 휨을 효율적으로 개선 하기 위해서, 그리고 세라믹 기판의 고온 연소로에서의 세라믹 기판의 보호, 및 세라믹 기판의 전 면적에 대한 고른 열 전달을 위하여, 상기 안착 도구재, 덮개부, 하중 도구재, 받침부는 상기 세라믹 기판 보다 너비 및 폭이 동일 또는 큰 것일 수 있다.
상기 적층하는 단계 이후에는 연소로에서 가열 처리를 수행하고, 상기 가열 처리는 1200 내지 1500℃일 수 있다. 상기 가열 처리 온도가 1200℃ 미만이면, 세라믹 기판의 휨 변화가 용이하지 않을 수 있고, 상기 가열 처리 온도가 1500℃ 초과이면, 고온으로 인하여 세라믹 기판과 세라믹 기판의 고착 또는 세라믹 기판과 안착 도구재 및 받침 도구재와의 고착이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 가열은, 구체적으로 연소로 내에 적층된 본원의 적층 시스템을 연소로 내에 배치하고, 상온에서부터 1200 내지 1500℃로 온도를 상승 시키는 것일 수 있다. 그 이후, 온도를 2 내지 8 시간 유지하고, 상온까지 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기의 제조방법에 의하여 제조된, 본 발명에 따른 휨 개선 세라믹 기판은, 세라믹 기판의 휨이 장축 길이에 대한 두께 방향의 변형율이 0.5% 이하일 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하지만, 본 발명의 권리 범위가 이하의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
세라믹 기판의 제조
세라믹 기판으로는 테이프 캐스팅(tape casting) 방법에 의해 제조된 두께 0.38 ㎜ 및 장축 길이 190mm의 Al2O3 기판을 사용하였다.
적층 시스템을 이용한 세라믹 기판의 가열
실시예 1
상기 세라믹 기판 40매를 적층한 후, 세라믹 기판과 너비와 폭이 동일한 받침부, 안착 도구재, 덮개부, 및 하중 도구재를 준비하고, 도 2와 같은 순서로 적층 시스템을 형성하였다. 여기서 세라믹 기판이 40매 적층된 유닛 도구재는 5개로 하여 총 200 매의 세라믹 기판을 적층 시스템에 포함 시켰다.
여기서 받침부의 두께는 5mm 이고 SiC를 포함하는 것이며, 안착 도구재의 두께는 5mm 이며 Al2O3를 포함하는 것이고, 덮개부의 두께는 5mm 이며, Al2O3를 포함하는 것이었다.
상기 하중 도구재는 SiC를 포함하고, 그 무게는 0.5kg 이었다.
가열 공정으로서, 상기 적층 시스템을 연소로 내에 배치하고, 상온으로부터 1400℃까지 온도를 상승 시킨 후, 그 온도를 4시간 유지하였다. 이후 서서히 냉각을 실시하여 상온 도달 후 가열 공정을 멈추었다. 이후 적층 시스템을 해체시켜 실시예 1의 세라믹 기판을 얻었다.
실시예 2
상기 하중 도구재의 무게를 1.5kg으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 적층 시스템을 형성 후, 동일한 가열 공정을 진행하여 세라믹 기판을 얻었다.
실시예 3
상기 하중 도구재의 무게를 3.0kg으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 적층 시스템을 형성 후, 동일한 가열 공정을 진행하여 세라믹 기판을 얻었다.
비교예 1 내지 4
상기 하중 도구재의 무게를 각각 하기 표 1과 같이 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 적층 시스템을 형성 후, 동일한 가열 공정을 진행하여 세라믹 기판을 얻었다.
세라믹 기판에 금속 접합
실시예 4 내지 6
상기 실시예 1 내지 3에서 제조된 세라믹 기판을 이용하여, 두께 0.3mm의 구리 금속판을 상기 제조된 세라믹 기판 표면에 접촉 배치한 후 1065~1200℃ 온도에서, 질소가 투입되는 환원분위기 하에서 가열하여 구리판을 세라믹 기판에 직접 접합시키는 직접접합(Direct copper bonding: DCB) 방법으로 알루미나 구리 접합 기판을 제조하였다.
비교예 4
본원 실시예와 같은 세라믹 기판의 재열처리를 수행하지 않은 알루미나 기판을 이용한 것을 제외하고는 실시예 4과 마찬가지로 진행하여 구리 금속 접합 알루미나 기판을 제조하였다.
시험예
휨 측정기기로서 Flatness Measurement and Analysis System, TherMoir (Model PS200)을 이용하였다.
휨 측정 방법은 각 실시예 및 비교예에서 제조된 세라믹 기판 또는 금속 접합 세라믹 기판에 대해 10개의 제품을 제조하여 휨의 크기를 측정하여 평균값을 산출하였다.
표 1은 열처리 이전의 세라믹기판과 열처리 이후의 세라믹 기판의 휨 크기(mm)를 나타내며, 표 2는 휨 차이를 갖는 세라믹 기판의 금속 접합 공정 이후의 금속 접합 세라믹 기판의 휨 크기(mm)를 나타낸다.
| 구분 | 실시예1 | 실시예2 | 실시예3 | 비교예1 | 비교예2 | 비교예3 | 비교예4 |
| 하중도구재 무게 | 0.5kg | 1.5kg | 3kg | 0.3kg | 6kg | 7kg | 10kg |
| 받침부 휨량 | 없음 | 없음 | 없음 | 없음 | 없음 | 없음 | 없음 |
| 열처리 전 세라믹 기판 휨량 평균 (세라믹기판 190mm) | 1.52mm0.80% | 1.52mm0.80% | 1.52mm0.80% | 1.52mm0.80% | 1.52mm0.80% | 1.52mm0.80% | 1.52mm0.80% |
| 적층 시스템을 이용한 열처리 후장축 길이 대비 휨량 평균(세라믹기판 190mm) | 0.79mm0.42% | 0.46mm0.24% | 0.82mm0.43% | 1.15mm0.61% | 1.25mm0.66% | 1.27mm0.67% | 1.31mm0.69% |
| 구분 | 비교예 4 | 실시예 4 | 실시예 5 | 실시예 6 |
| 하중도구재 무게 | 없음 | 0.5kg | 1.5kg | 3kg |
| 열처리 후세라믹 기판 휨량 평균 | 1.31mm0.69% | 0.79mm0.42% | 0.46mm0.24% | 0.82mm0.43% |
| 금속접합기판 휨량 평균 | 1.39mm0.73% | 0.81mm0.43% | 0.52mm0.27% | 0.88mm0.46% |
표 1과 표 2를 살펴보면 세라믹 기판의 휨은 하중도구재의 무게가 증가할수록 증가하며, 세라믹 기판의 휨이 작을수록 금속접합세라믹 기판의 휨 또한 감소함을 확인할 수 있다.
상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 세라믹 기판의 휨 개선 공정을 거친 본원 실시예 1 내지 3은 장축길이 대비 휨량 평균 값이 0.5% 이하로, 이후의 실장 공정 또는 접합 공정에서 불량률이 최소화 될 수 있도록 휨이 개선된 기판을 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
이상 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
[부호의 설명]
100 적층 시스템
110 안착 도구재
120 유닛 도구재
121 받침부
122 세라믹 기판
123 덮개부
130 하중 도구재
Claims (12)
- 세라믹 기판의 하부를 지지하는 받침부와 상기 세라믹 기판의 상부를 감싸는 덮개부가 하나의 유닛을 이루는 유닛 도구재;상기 유닛 도구재의 받침부가 안착하며 상기 유닛 도구재를 감싸는 안착 도구재; 및상기 유닛 도구재의 덮개부 상에 위치하며 상기 유닛 도구재로 하중을 부여하는 하중 도구재를 포함하는 것인 세라믹 기판 제조용 적층 시스템.
- 청구항 1에 있어서,상기 적층 시스템은 상기 하중 도구재와 상기 안착 도구재 사이에 적층되는 다수 개의 유닛 도구재를 포함하며,상기 다수 개의 유닛 도구재는 일 유닛 도구재 상에 적층되는 다른 유닛 도구재의 받침부와, 하측에 위치하는 일 유닛 도구재의 덮개부가 접하도록 적층되는 것인 세라믹 기판 제조용 적층 시스템.
- 청구항 1에 있어서,상기 하중 도구재의 하중은 0.5 내지 6kg 범위 내인 것인 세라믹 기판 제조용 적층 시스템.
- 청구항 1에 있어서,상기 안착 도구재, 받침부, 덮개부, 하중 도구재는 각각 Al2O3, SiC, 및 Si3N4로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 세라믹 기판 제조용 적층 시스템.
- 청구항 4에 있어서,상기 받침부와 하중 도구재는 SiC를 포함하는 것인 세라믹 기판 제조용 적층 시스템.
- 청구항 4에 있어서,상기 안착 도구재는 Al2O3, 또는 SiC를 포함하는 것인 세라믹 기판 제조용 적층 시스템.
- 청구항 4에 있어서,상기 덮개부는 Al2O3를 포함하는 것인 세라믹 기판 제조용 적층 시스템.
- 청구항 1에 있어서,상기 안착 도구재, 덮개부, 하중 도구재, 및 받침부는 세라믹 기판 보다 너비 및 폭이 동일하거나 큰 것인 세라믹 기판 제조용 적층 시스템.
- 세라믹 기판의 제조 방법으로서,세라믹 기판을 연소로와 직접 접하는 안착 도구재 상에 로딩하는 단계; 및상기 안착 도구재 상에 로딩된 세라믹 기판 위로 덮개부를 위치 시키고, 상기 덮개부 상으로 소정의 하중이 가해지도록 하중 도구재를 적층하는 단계를 포함하는 것인 세라믹 기판의 제조 방법.
- 청구항 9에 있어서,상기 세라믹 기판을 안착 도구재 상에 로딩하는 단계는 상기 안착 도구재 상에 받침부를 적층하는 단계 및 상기 받침부 상에 상기 세라믹 기판을 적층하는 단계를 포함하는 것인 세라믹 기판의 제조 방법.
- 청구항 10에 있어서,상기 하중 도구재와 상기 안착 도구재 사이에, 상기 덮개부와 상기 받침부로 상, 하부가 감싸져 있는 세라믹 기판이 다수 개 적층되는 단계를 더 포함하는 것인 세라믹 기판의 제조 방법.
- 청구항 9에 있어서,상기 안착 도구재, 덮개부, 하중 도구재, 받침부는 상기 세라믹 기판 보다 너비 및 폭이 동일 또는 큰 것인 세라믹 기판의 제조 방법.
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