CERAMIC SUBSTRATE AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR

28-12-2017 дата публикации
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WO2017222235A1
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Номер заявки: KR62-00-201707
Дата заявки: 14-06-2017

세라믹 기판 및 그 제조방법
[1]

본 발명은 세라믹 기판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 급격한 온도 변화에도 세라믹 기재와 금속막 간의 결합 상태를 견고하게 유지하는 세라믹 기판 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

[2]

[관련 출원과의 상호 인용]

[3]

본 출원은 2016년 6월 21일자 한국 특허 출원 제10-2016-0077297호, 2016년 8월 30일자 한국 특허 출원 제10-2016-0111098호 및 2016년 10월 15일자 한국 특허 출원 제10-2016-0128623호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.

[4]

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.

[5]

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.

[6]

세라믹 AMB 기판은 높은 방열 특성 및 신뢰성을 갖기 때문에 자동차, 풍력 터빈, 고전압 DC 전송 등과 같은 애플리케이션에 적용된다.

[7]

종래의 세라믹 AMB 기판(이하, 기본형 세라믹 AMB 기판)은 세라믹 기재의 표면에 구리 등의 금속을 브레이징하여 금속층을 형성하고, 금속층 표면에 마스크(예를 들면, Dry Film)를 배치한 후 에칭액으로 금속층의 둘레를 일정 부분 식각(Etching)하여 제조된다.

[8]

이때, 기본형 세라믹 AMB 기판은 금속층의 모서리가 하면으로 갈수록 내측 방향으로 경사진 형태로 형성되기 때문에, 급속한 온도 변화가 발생하는 경우 금속층 내에 균열이 발생하거나, 금속층이 세라믹 기재로부터 분리되는 문제점이 있다.

[9]

일례로, 세라믹 AMB 기판의 특성을 검사하기 위한 열 충격 시험(시험 조건: 세라믹 기판의 재질은 알루미나, ZTA(HPS), AlN이고, 1 Cycle은 대략 30분 정도, 사이클당 -50℃에서 150℃까지 온도 가변)을 수행하면, 대략 100 Cycle 정도에서 내부 균열 및 층분리가 발생한다.

[10]

세라믹 AMB 기판은 주로 전력 관련 기판으로 사용되기 때문에 장기 수명이 요구되고 있어, 내부 균열 및 층분리의 발생을 늦추기 위해 고강도를 갖는 Si3N4, SiC를 세라믹 기판에 적용하는 것이 검토되고 있다.

[11]

하지만, Si3N4, SiC는 고강도를 갖지만 고가이기 때문에 제품 단가가 증가하여 제품 경쟁력이 저하되는 문제점이 있다.

[12]

이에, 기존의 세라믹 재질을 사용하면서 금속층의 모서리를 따라 복수의 딤플(Dimple, 또는 홀)을 형성한 딤플형 세라믹 AMB 기판이 개발되었다.

[13]

딤플형 세라믹 AMB 기판은 세라믹 기재의 표면에 구리 등의 금속을 브레이징하여 금속층을 형성하고, 금속층 표면에 다수의 딤플이 형성된 마스크를 배치한 후 에칭액으로 금속층 둘레의 일정 부분과 홀 부분을 식각(Etching)하여 제조된다.

[14]

그에 따라, 딤플형 세라믹 AMB 기판은 금속층의 둘레를 따라 복수의 딤플이 형성되어, 급속한 온도 변화에서도 금속층의 균열 및 층분리 발생을 방지할 수 있다.

[15]

하지만, 딤플형 세라믹 AMB 기판은 다수의 딤플이 형성됨에 따라 금속층의 면적이 감소하게 되어 전기전도도, 열저항 등의 전기적 특성이 저하되는 문제점이 있다. 즉, 세라믹 AMB 기판의 전기적 특성은 금속층의 면적에 비례하는데, 딤플형 세라믹 AMB 기판은 금속층에 다수의 딤플이 형성됨에 따라 금속층의 면적이 감소하여 전기적 특성이 감소하게 된다.

[16]

또한, 딤플형 세라믹 AMB 기판에서 전기적 특성의 저하를 방지하기 위해 금속층의 일부에만 딤플을 형성하는 경우, 딤플이 형성되지 않은 영역에서 급속한 온도 변화에 따른 금속층 내 균열이 발생하거나, 금속층이 세라믹 기재로부터 분리되는 문제점이 있다.

[17]

또한, 딤플형 세라믹 AMB 기판은 딤플의 면적 점유율이 높아지게 되어 저항이 높아지고, 강도 및 세라믹 기재와 금속층의 접합 강도가 저하되어, 애플리케이션에서 요구되는 전기적 특성을 만족시킬 수 없는 문제점이 있다.

[18]

또한, 딤플형 세라믹 AMB 기판은 딤플의 면적 점유율이 높아지기 때문에, 미세패턴에 적용할 수 없는 문제점이 있다.

[19]

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 세라믹 기재에 접합되는 금속층의 외주에 경사 돌출부를 형성하여 접합 강도가 증가하도록 한 세라믹 기판 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

[20]

또한, 본 발명은 세라믹 기재에 접합되는 금속층과 인접한 다른 금속층들과의 간격에 따라 금속층의 외주에 테이퍼 돌출부 및 다단 돌출부를 형성하여 접합 강도가 증가하도록 한 세라믹 기판 및 그 제조방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

[21]

그리고, 본 발명은 세라믹 기재에 접합되는 금속층의 외주 중 단변, 꼭지점, 모서리 등과 같은 스트레스(stress)가 집중되는 외주에 세라믹 기재와 설정 각도 범위 이내의 경사를 갖는 경사 돌출부를 형성하여 세라믹 기재와 금속층 간의 접합 강도가 증가하도록 한 세라믹 기판 및 그 제조방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

[22]

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 기판은 세라믹 기재 및 세라믹 기재의 적어도 일면에 접합되는 금속층을 포함하고, 금속층은 외주에 경사 돌출부가 형성된다.

[23]

이때, 금속층은 브레이징을 통해 세라믹 기재의 일면에 접합되거나, 세라믹 기재 및 금속층 사이에 개재되어 세라믹 기재 및 금속층을 접합시키는 접합층을 더 포함함으로써 세라믹 기재에 접합될 수 있다.

[24]

경사 돌출부는 금속층의 외주와 연결되고 세라믹 기판에 직교하는 가상선보다 세라믹 기재의 외주 방향으로 돌출되는 것일 수 있다. 이때, 경사 돌출부는 세라믹 기재 방향으로 갈수록 돌출 길이가 증가하고, 세라믹 기재 방향으로 오목한 형상으로 형성될 수 있다.

[25]

경사 돌출부는 세라믹 기판의 외주 방향으로 돌출된 길이가 금속층의 두께보다 짧은 길이로 형성될 수 있다.

[26]

경사 돌출부는 복수의 오목부가 형성되고, 오목부와 다른 오목부가 접하는 부분에 돌출부가 형성될 수 있다.

[27]

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 세라믹 기판은 세라믹 기재 및 세라믹 기재의 적어도 일면에 접합되고, 외주에 테이퍼 돌출부 및 다단 돌출부로 구성된 경사 돌출부가 형성된 금속층을 포함할 수 있다. 테이퍼 돌출부가 형성된 금속층의 외주와 다른 금속층의 간격은 다단 돌출부가 형성된 금속층의 외주와 다른 금속층의 간격보다 좁게 형성될 수 있다.

[28]

이때, 금속층은 다른 금속층과의 간격이 최대 설정 간격을 초과하면 다른 금속층과 인접한 외주에 다단 돌출부가 형성되고, 다른 금속층과의 간격이 최소 설정 간격 미만이면 다른 금속층과 인접한 외주에 테이퍼 돌출부가 형성될 수 있다.

[29]

금속층은 다른 금속층과의 간격이 최소 설정 간격 이상이고 최대 설정 간격 이하이면 다른 금속층과 인접한 외주에 테이퍼 돌출부 또는 다단 돌출부가 형성되되, 다른 금속층에 테이퍼 돌출부가 형성되면 다른 금속층과 인접한 외주에 다단 돌출부가 형성되고, 다른 금속층에 다단 돌출부가 형성되면 다른 금속층과 인접한 외주에 테이퍼 돌출부가 형성될 수 있다.

[30]

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 세라믹 기판은 세라믹 기재 및 세라믹 기재의 적어도 일면에 접합되고, 외주 중 스트레스가 집중되는 일부 영역에 형성되는 다단 돌출부를 포함하는 경사 돌출부가 형성된 금속층을 포함할 수 있다.

[31]

다단 돌출부는 금속층의 단변, 모서리 및 꼭지점 중 적어도 어느 하나에 형성될 수 있다. 이때, 다단 돌출부는 세라믹 기재와 27° 이상 33° 이하의 경사도를 갖고, 경사도는 다단 돌출부가 세라믹 기재와 접하는 점과 오목부들 사이 형성되는 돌출부의 꼭지점을 연결한 선, 및 세라믹 기재의 표면 간의 각도일 수 있다.

[32]

한편, 경사 돌출부는 금속층의 다른 외주에 형성되는 테이퍼 돌출부를 더 포함할 수 있다. 이때, 테이퍼 돌출부는 세라믹 기재와 27° 이상 33° 이하의 경사도를 갖고, 경사도는 테이퍼 돌출부가 금속층 및 세라믹 기재와 접하는 두 점을 연결한 선, 및 세라믹 기재의 표면 간의 각도일 수 있다. 이때, 경사 돌출부는 곡선 형태의 경사를 가질 수도 있다.

[33]

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 기판 제조방법은 세라믹 기재를 준비하는 단계, 세라믹 기재의 적어도 일면에 금속층을 형성하는 단계, 금속층의 일면에 마스크를 형성하는 단계 및 마스크에 의해 노출된 금속층의 일부를 식각하여 경사 돌출부를 형성하는 단계를 포함한다.

[34]

경사 돌출부를 형성하는 단계는 금속층의 외주와 연결되고 세라믹 기판에 직교하는 가상선보다 세라믹 기재의 외주 방향으로 돌출되는 경사 돌출부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

[35]

마스크를 형성하는 단계에서 상호 이격된 복수의 마스크를 사용하고, 경사 돌출부를 형성하는 단계에서 경사 돌출부는 테이퍼 돌출부 및 다단 돌출부를 구비하는 경사 돌출부가 형성되며, 테이퍼 돌출부가 형성된 금속층의 외주와 다른 금속층의 간격은 다단 돌출부가 형성된 금속층의 외주와 다른 금속층의 간격보다 좁게 형성될 수 있다.

[36]

이때, 경사 돌출부를 형성하는 단계는 금속층의 외주 중 스트레스가 집중되는 일부 영역에 다단 돌출부를 형성하는 단계를 포함하며, 다단 돌출부를 형성하는 단계는 금속층의 단변, 모서리 및 꼭지점 중 적어도 하나에 복수의 오목부가 형성된 다단 돌출부를 형성하는 단계를 포함하고, 다단 돌출부를 형성하는 단계는 세라믹 기재와 27° 이상 33° 이하의 경사도를 갖는 다단 돌출부를 형성하는 단계를 포함하고, 경사도는 다단 돌출부가 세라믹 기재와 접하는 점과 오목부들 사이 형성되는 돌출부의 꼭지점을 연결한 선, 및 세라믹 기재의 표면 간의 각도일 수 있다.

[37]

본 발명에 의하면, 세라믹 기판 및 그 제조방법은 종래의 딤플형 세라믹 AMB 기판에 비해 금속층의 면적이 증가하여 전기전도도, 열저항 등의 전기적 특성이 향상되면서, 종래의 딤플형 세라믹 AMB 기판과 동등한 수준의 내균열성 및 내분리성을 구현할 수 있는 효과가 있다.

[38]

또한, 세라믹 기판 및 그 제조방법은 종래의 딤플형 세라믹 AMB 기판에 비해 상대적으로 넓은 면적으로 형성되기 때문에 동등한 전기적 특성을 형성하는 경우 상대적으로 높은 내균열성 및 내분리성을 구현할 수 있는 효과가 있다.

[39]

또한, 세라믹 기판 및 그 제조방법은 종래의 딤플형 세라믹 AMB 기판에 비해 상대적으로 넓은 면적으로 형성되기 때문에 강도, 접합 강도를 강하게 유지할 수 있고, 미세패턴에도 적용할 수 있는 효과가 있다.

[40]

또한, 세라믹 기판 및 그 제조방법은 종래의 세라믹 AMB 기판에 비해 사용 수명을 연장하면서 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

[41]

또한, 세라믹 기판 및 그 제조방법은 경사 돌출부의 형성시 마스크(즉, 드라이 필름)의 에칭형태를 조절함으로써, 2~3차례의 추가 에칭 작업을 수행하지 않기 때문에 후공정 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

[42]

또한, 세라믹 기판 및 그 제조방법은 금속층에 경사 돌출부를 형성함으로써, 금속층 외주(Edge)에 에너지를 분산시켜 AMB IGBT(insulated gate bipolar mode transistor) 기판의 장기 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

[43]

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 기판을 설명하기 위한 도면.

[44]

도 2 내지 도 10은 도 1의 금속층을 설명하기 위한 도면.

[45]

도 11 및 도 12는 본 발명의 제1 실시예에 따른 세라믹 기판 제조방법을 설명하기 위한 도면.

[46]

도 13 및 도 14은 본 발명의 제2 실시예에 따른 세라믹 기판 제조방법을 설명하기 위한 도면.

[47]

도 15 및 도 16는 본 발명의 제3 실시예에 따른 세라믹 기판 제조방법을 설명하기 위한 도면.

[48]

도 17 및 도 18은 본 발명의 제4 실시예에 따른 세라믹 기판 제조방법을 설명하기 위한 도면.

[49]

도 19 및 도 20은 도 13, 15 및 17의 마스크 형성 단계를 설명하기 위한 도면.

[50]

도 21 내지 도 25은 종래의 딤플형 세라믹 AMB 기판과 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 기판을 비교 설명하기 위한 도면.

[51]

본 발명의 실시예에 따른 세라믹 기판은 세라믹 기재 및 세라믹 기재의 적어도 일면에 접합되는 금속층을 포함하고, 금속층은 외주에 경사 돌출부가 형성된다.

[52]

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.

[53]

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 기판(100)은 세라믹 기재(120) 및 금속층(140)을 포함하여 구성된다.

[54]

세라믹 기재(120)는 ZTA(Zirconia Toughened Alumina), 질화알루미늄(AlN), 산화알루미늄(알루미나, Al2O3), 질화규소(SiN, Si3N4) 중 하나의 세라믹 재질로 형성된다. 세라믹 기재(120)는 ZTA, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 질화규소 중 하나 이상을 포함하는 합성 세라믹 재질로 형성될 수도 있다.

[55]

예를 들어, 세라믹 기재(120)는 ZTA가 대략 9% 또는 15% 정도의 조성비를 갖고, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 질화규소 중 적어도 하나가 나머지 조성비(대략 91%, 85% 정도)를 갖도록 형성될 수 있다.

[56]

세라믹 기재(120)는 이외에도 전력 모듈 등에 사용 가능한 세라믹 소재로 변형 실시 가능하다.

[57]

세라믹 기재(120)는 조성비에 따라 대략 0.32 mm 내지 0.635 mm 정도의 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 이때, 세라믹 기재(120)는 금속층(140)과의 접합력을 강화시키기 위해 표면에 화학약품 또는 물리적 연마를 통해 미세 돌기부를 형성할 수도 있다.

[58]

금속층(140)은 금속 박막으로 구성된다. 이때, 금속층(140)은 동박으로 형성될 수 있다. 금속층(140)은 구리(Cu) 분말, 은(Ag) 분말, 알루미늄(Al) 분말, 니켈(Ni) 분말, 주석(Sn) 분말, 인(In) 분말 중 어느 하나를 포함하는 금속 박막 또는 혼합 금속 박막으로 형성될 수 있다. 금속층(140)은 TiCu, NiTi, TiCu, NiNb, CuMo, TiAg 등과 같은 혼합 금속 박막으로 형성될 수도 있다.

[59]

금속층(140)은 세라믹 기재(120)의 적어도 일면에 접합된다. 즉, 금속층(140)은 브레이징 공정을 통해 세라믹 기재(120)의 일면에 직접 접합된다. 이때, 금속층(140)은 세라믹 기재(120)와의 사이에 개재되는 접합층을 통해 세라믹 기재(120)에 접합될 수도 있다.

[60]

금속층(140)은 세라믹 기재(120)보다 좁은 면적으로 갖도록 형성되며, 금속층(140)의 외주가 세라믹 기재(120)의 외주와 소정 간격 이격되어 세라믹 기재(120)의 일면 내측에 접합된다.

[61]

금속층(140)은 외주에 경사 돌출부(142, 144)가 형성될 수 있다. 경사 돌출부(142, 144)는 테이퍼(Taper) 돌출부(142) 및 다단 돌출부(144)를 포함할 수 있다. 따라서, 금속층(140)의 외주에는 테이퍼(Taper) 돌출부(142) 및 다단 돌출부(144) 중 적어도 하나가 연결되어 형성될 수 있다.

[62]

도 2에 도시된 바와 같이, 금속층(140)은 하부로 갈수록 세라믹 기재(120)의 외주 방향으로 경사를 갖는 경사 돌출부, 보다 상세하게는 테이퍼 돌출부(142)가 외주에 형성된다.

[63]

테이퍼 돌출부(142)는 금속층(140)의 외주 상부와 연결되고 세라믹 기재(120)에 직교하는 가상선(A)보다 세라믹 기재(120)의 외주 방향으로 돌출되도록 형성된다. 테이퍼 돌출부(142)는 곡선 형태의 경사를 갖는 형상으로, 세라믹 기재(120) 방향으로 오목한 형상으로 형성될 수 있다.

[64]

이때, 테이퍼 돌출부(142)는 세라믹 기재(120)의 외주 방향으로 갈수록 돌출 길이가 증가하며, 전체 돌출 길이(D2)는 금속층(140)의 두께(D1)보다 짧은 길이로 형성될 수 있다. 보다 상세하게 테이퍼 돌출부(142)의 돌출길이는 금속층(140)의 두께(D1)의 대략 1/2 이하의 길이(D2)를 갖도록 형성된다. 여기서, 테이퍼 돌출부(142)는 금속층(140)의 두께(D1)의 대략 1/2 이하의 길이(D2)를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

[65]

테이퍼 돌출부(142)는 다단 돌출부(144)에 비해 상대적으로 좁기 때문에 접합 강도가 약한 대신 외주 방향으로 돌출되는 면적이 좁기 때문에 금속층(140)간의 간격이 좁은 경우에도 접합 강도를 유지할 수 있다.

[66]

도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 금속층(140)은 복수의 오목부(146)가 형성된 경사 돌출부, 보다 상세하게는 다단 돌출부(144)가 형성될 수도 있다. 다단 돌출부(144)는 복수의 오목부(146)가 형성되어 복수의 단을 갖는 형상으로 형성된다. 다단 돌출부(144)는 금속층(140)의 외주 상부와 연결되고 세라믹 기재(120)에 직교하는 가상선(A)보다 세라믹 기재(120)의 외주 방향으로 돌출되도록 형성된다.

[67]

도 3에 도시된 바와 같이, 금속층(140)은 2개의 오목부(146)가 형성되어 2단으로 구성된 다단 돌출부(144)가 형성될 수 있다. 물론, 도 4에 도시된 바와 같이, 금속층(140)은 3개의 오목부(146)가 형성되어 3단으로 구성된 다단 돌출부(144)가 형성될 수도 있으며, 도면으로 예시한 바에 비해 복수개의 오목부(146)를 가지는 다단 돌출부(144)를 형성할 수도 있다. 이때, 다단 돌출부(144)는 오목부(146)와 오목부(146)가 접하는 부분에 뾰족한 형상의 돌출부가 형성될 수 있다.

[68]

이때, 다단 돌출부(144)는 세라믹 기재(120)와 접합되는 면적이 테이퍼 돌출부(142)에 비해 상대적으로 넓기 때문에 접합 강도를 강하게 유지할 수 있는 대신, 외주 방향으로 돌출되는 면적이 넓기 때문에 금속층(140)간의 간격이 좁은 경우에는 적용이 어렵다.

[69]

이 밖에도, 도 5 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 금속층(140)은 이웃한 다른 금속층(140)과의 간격에 따라 다른 금속층(140)과 인접한 외주에 서로 다른 형상의 돌출부(즉, 테이퍼 돌출부(142), 다단 돌출부(144))가 형성될 수 있다.

[70]

도 5를 참조하면, 금속층(140a)은 다른 금속층(140b)과의 간격(D)이 최대 설정 간격을 초과하면, 금속층(140a)과 다른 금속층(140b)은 서로 인접한 외주에 각각 다단 돌출부(144)가 형성될 수 있다.

[71]

도 6을 참조하면, 금속층(140a)은 다른 금속층(140b)과의 간격(D)이 최소 설정 간격 미만이면, 금속층(140a) 및 다른 금속층(140b)이 서로 인접한 외주에 각각 테이퍼 돌출부(142)가 형성될 수 있다.

[72]

도 7을 참조하면, 금속층(140a)은 다른 금속층(140b)과의 간격(D)이 최소 설정 간격 이상 최대 설정 간격 이하이면, 금속층(140a)과 다른 금속층(140b)이 인접한 외주에 테이퍼 돌출부(142) 또는 다단 돌출부(144)가 형성된다. 금속층(140a)은 다른 금속층(140b)과의 간격이 최소 설정 간격 이상 최대 설정 간격 이하이고, 다른 금속층(140b)에 테이퍼 돌출부(142)가 형성되면 다단 돌출부(144)가 형성될 수 있고, 다른 금속층(140b)에 다단 돌출부(144)가 형성되면 금속층(140a)이 다른 금속층(140b)와 인접한 외주에 테이퍼 돌출부(142)가 형성될 수 있다.

[73]

금속층(140)은 외주의 두께가 증가할수록 세라믹 기재(120)와의 접합 스트레스가 증가한다. 접합 스트레스가 증가하면 급속한 온도 변화에서 금속층(140)이 세라믹 기재(120)로부터 분리될 수 있다. 따라서, 금속층(140)이 세라믹 기재(120)로부터 분리되는 것을 방지하기 위해서는 접합 강도를 유지하면서 접합 스트레스를 최소화해야 하기 때문에, 도 8에 도시된 바와 같이, 금속층(140)의 외주 중 스트레스가 집중되는 일부 영역에 세라믹 기재(120)와 설정 각도 범위 이내의 경사도를 갖는 다단 돌출부(144)를 형성하여 두께를 최소화할 수 있다. 다단 돌출부(144)는 금속층(140)의 단변, 모서리 및 꼭지점 중 적어도 어느 하나에 형성되는 것일 수 있다.

[74]

여기서, 경사도는 다단 돌출부(144)가 금속층(140) 및 세라믹 기재(120)와 접하는 두 점을 연결한 선과 세라믹 기재(120)의 표면 간의 각도인 것을 일례로 하며, 보다 상세하게는 다단 돌출부(144)가 세라믹 기재(120)와 접하는 점과 오목부(146)들 사이 형성되는 돌출부의 꼭지점을 연결한 선 및 세라믹 기재(120)의 표면 간의 각도일 수 있다.

[75]

이때, 도 9를 참조하면, 다단 돌출부(144)는 접합 스트레스를 최소화하기 위해 세라믹 기재(120)와 대략 33°이하의 경사도(θ)를 갖도록 형성된다. 여기서, 경사도가 너무 낮게 형성되면 접합 강도가 저하되어 다단 돌출부(144)가 세라믹 기재(120)로부터 분리될 수 있으므로, 다단 돌출부(144)는 접합 스트레스를 최소화하기 위해 세라믹 기재(120)와 대략 27°이상 33°이하의 경사도(θ)를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

[76]

한편, 도 9 및 도 10을 참조하면, 금속층(140)은 접합 스트레스가 집중되는 외주의 일부 영역(148)에 하나 이상의 경사 돌출부가 형성될 수 있다.

[77]

즉, 금속층(140)은 단변, 꼭지점, 모서리 등과 같이 일부 영역(148)에 접합 스트레스가 집중되므로, 금속층(140)의 외주 중 단변, 꼭지점, 모서리 등에 해당하는 일부에는 상대적으로 두께를 얇게 형성할 수 있는 다단 돌출부(144)가 형성되고, 다른 나머지 외주의 일부에는 테이퍼 돌출부(142)가 더 형성될 수 있다.

[78]

이때, 테이퍼 돌출부(142) 및 다단 돌출부(144)는 세라믹 기재(120)와 설정 각도 범위(예를 들면, 대략 27°이상 33°이하) 이내의 경사도를 갖도록 형성될 수 있다.

[79]

여기서, 경사도는 테이퍼 돌출부(142)가 금속층(140) 및 세라믹 기재(120)와 접하는 두 점을 연결한 선과 세라믹 기재(120)의 표면 간의 각도이거나, 다단 돌출부(144)가 세라믹 기재(120)와 접하는 점과 오목부(146)들 사이 형성되는 돌출부의 꼭지점을 연결한 선 및 세라믹 기재(120)의 표면 간의 각도일 수 있다.

[80]

도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 세라믹 기판 제조방법은 세라믹 기재(120) 준비 단계(S110), 금속층(140)을 형성하는 단계(S130), 마스크(160) 형성 단계(S150), 경사 돌출부(142) 형성 단계(S170) 및 마스크(160) 제거 단계(S190)를 포함한다.

[81]

세라믹 기재(120) 준비 단계(S110)는 ZTA, 질화알루미늄, 산화알루미늄(알루미나), 질화규소 중 하나의 세라믹 재질로 형성되는 세라믹 기재(120)를 준비한다. 이때, 세라믹 기재(120) 준비 단계(S110)는 ZTA, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 질화규소 중 하나 이상을 포함하는 합성 세라믹 재질로 형성될 수도 있다.

[82]

예를 들어, 세라믹 기재(120) 준비 단계(S110)는 ZTA가 대략 9% 또는 15% 정도의 조성비를 갖고, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 질화규소 중 적어도 하나가 나머지 조성비(대략 91%, 85% 정도)를 갖는 세라믹 기재(120)를 준비한다.

[83]

세라믹 기재(120) 준비 단계(S110)는 조성비에 따라 대략 0.32 mm 내지 0.635 mm 정도의 두께를 갖는 세라믹 기재(120)를 준비한다.

[84]

이때, 세라믹 기재(120) 준비 단계(S110)는 금속층(140)과의 접합력을 강화시키기 위해 세라믹 기재(120)의 표면에 미세 돌기부를 형성할 수도 있다. 즉, 세라믹 기재(120) 준비 단계(S110)는 약품을 이용한 화학적 처리 또는 연마, 샌드 블라스트 등을 이용한 물리적 처리로 세라믹 기재(120)의 표면을 거칠게 하여 미세 돌기부를 형성한다. 이외에도 세라믹 기재(120)의 표면을 거칠게 하는 어떠한 예로도 변형실시될 수 있다.

[85]

금속층(140) 형성 단계(S130)에서는 세라믹 기재(120)의 적어도 일면에 금속층(140)을 형성한다. 이때, 금속층(140) 형성 단계(S130)는 금속 박막을 세라믹 기재(120)의 적어도 일면에 접합하여 금속층(140)을 형성한다. 금속층(140) 형성 단계(S130)는 세라믹 기재(120)의 적어도 일면을 모두 덮도록 금속층(140)을 형성한다.

[86]

금속층(140) 형성 단계(S130)는 브레이징 공정을 통해 세라믹 기재(120)의 일면에 금속 박막, 예를 들어 동박을 접합하여 금속층(140)을 형성하거나, 세라믹 기재(120)와 금속 박막 사이에 접합층을 개재하여 금속층(140)을 형성할 수 있다.

[87]

금속층(140) 형성 단계(S130)는 구리(Cu) 분말, 은(Ag) 분말, 알루미늄(Al) 분말, 니켈(Ni) 분말, 주석(Sn) 분말, 인(In) 분말 중 어느 하나를 포함하는 금속 박막 또는 혼합 금속 박막을 세라믹 기재(120)의 일면에 접합하여 금속층(140)을 형성할 수 있다.

[88]

금속층(140) 형성 단계(S130)는 TiCu, NiTi, TiCu, NiNb, CuMo, TiAg 등과 같은 혼합 금속 박막을 세라믹 기재(120)의 일면에 접합하여 금속층(140)을 형성할 수도 있다.

[89]

마스크(160) 형성 단계(S150)는 금속층(140)의 일면에 마스크(160)를 형성한다. 이때, 마스크(160) 형성 단계(S150)는 세라믹 기재(120) 및 금속층(140)의 면적보다 좁은 면적을 갖는 마스크(160; 예를 들면, 드라이 필름)를 금속층(140)의 일면에 배치한다. 마스크(160) 형성 단계(S150)는 금속층(140)의 외주와 마스크(160)의 외주가 상호 이격되도록 배치하여 마스크(160)가 금속층(140)의 일면 내측에 배치되도록 한다. 마스크(160) 형성 단계(S150)는 배치된 마스크(160)를 노광하여 경화시켜 금속층(140)의 일면에 마스크(160)를 형성한다.

[90]

경사 돌출부(142) 형성 단계(S170)는 금속층(140)을 에칭하여 외주에 경사 돌출부(142)를 형성한다. 이때, 경사 돌출부(142) 형성 단계(S170)는 마스크(160)에 의해 노출된 금속층(140)의 일부(즉, 금속층(140)의 외주부)를 에칭액(예를 들면, 염화제이철(FeCl3))로 식각하여, 금속층(140)의 하부로 갈수록 세라믹 기재(120)의 외주 방향으로 경사를 갖는 경사 돌출부(142)를 형성한다.

[91]

경사 돌출부(142) 형성 단계(S170)는 기본형 세라믹 AMB 기판과 동일한 농도, 시간, 속도(정도)로 에칭하는 경우 금속층(140)의 외주부가 내측으로 경사진 형태로 형성된다.

[92]

따라서, 경사 돌출부(142) 형성 단계(S170)는 기본형 세라믹 AMB 기판의 제조시 사용되는 에칭액보다 낮은 농도의 에칭액으로 금속층(140)의 외주부를 식각하거나, 에칭 시간을 짧게 하거나, 에칭 속도(정도)를 느리게 하는 것이 바람직하다.

[93]

이에, 종래의 기본형 세라믹 AMB 기판의 제조시 에칭 가공도를 100%로 가정할 경우, 경사 돌출부(142) 형성 단계(S170)는 대략 85% 정도의 에칭 가공도로 경사 돌출부(142)를 형성한다.

[94]

물론, 경사 돌출부(142) 형성 단계(S170)는 기본형 세라믹 AMB 기판의 제조시 에칭 속도보다 느린 에칭 속도로 금속층(140)의 외주부를 식각하거나, 기본형 세라믹 AMB 기판의 제조시 에칭 시간보다 짧은 에칭 시간으로 금속층(140)의 외주부를 식각할 수도 있다.

[95]

경사 돌출부(142) 형성 단계(S170)는 금속층(140)의 외주 상부와 연결되고 세라믹 기판(100)에 직교하는 가상선을 기준으로 세라믹 기재(120)의 외주 방향으로 돌출되고, 곡선 형태의 경사를 갖는 경사 돌출부(142)를 형성한다.

[96]

경사 돌출부(142) 형성 단계(S170)는 금속층(140)의 두께의 대략 1/2 이하의 길이를 갖도록 경사 돌출부(142)를 형성한다.

[97]

마스크(160) 제거 단계(S190)는 금속층(140)에 경사 돌출부(142)를 형성한 후 에칭액을 통해 금속층(140)의 일면에 배치된 마스크(160)를 식각한다. 이를 통해, 마스크(160) 식각 단계(S190)에서 마스크(160)가 제거되어 최종 상태의 세라믹 기판(100)이 제작된다.

[98]

도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 세라믹 기판 제조방법은 세라믹 기재(120) 준비 단계(S210), 금속층(140)을 형성하는 단계(S230), 마스크(160) 형성 단계(S250), 경사 돌출부(144) 형성 단계(S270) 및 마스크(160) 제거 단계(S290)를 포함한다. 여기서, 세라믹 기재(120) 준비 단계(S210) 및 금속층(140)을 형성하는 단계(S230)는 제1 실시예에 따른 세라믹 기판(100) 제조 방법의 세라믹 기재(120) 준비 단계(S110) 및 금속층(140)을 형성하는 단계(S130)와 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.

[99]

마스크(160) 형성 단계(S250)는 금속층(140)의 일면에 복수의 마스크(160)를 형성한다. 즉, 마스크(160) 형성 단계(S250)는 오목부(146)를 갖는 경사 돌출부(144)의 형성을 위해 둘 이상의 마스크(160)를 금속층(140)의 일면에 형성한다.

[100]

일례로, 도 19에 도시된 바와 같이, 마스크(160) 형성 단계(S250)는 세라믹 기재(120) 및 금속층(140)의 면적보다 좁은 면적을 갖는 제1 마스크(162) 및 제2 마스크(164)를 금속층(140)의 일면에 배치한다. 이때, 제1 마스크(162)는 소정 면적을 갖는 박막 형태로 형성되고, 제2 마스크(164)는 내부에 제1 마스크(162)가 삽입 배치되는 삽입 홀이 형성되어 소정 면적을 갖는 박막 형태로 형성된다.

[101]

다른 일례로, 도 20에 도시된 바와 같이, 마스크(160) 형성 단계(S250)는 세라믹 기재(120) 및 금속층(140)의 면적보다 좁은 면적을 갖는 제1 마스크(162), 제2 마스크(164) 및 제3 마스크(166)를 금속층(140)의 일면에 배치한다. 이때, 제1 마스크(162)는 소정 면적을 갖는 박막 형태로 형성되고, 제2 마스크(164)는 내부에 제1 마스크(162)가 삽입 배치되는 제1 삽입 홀이 형성되어 소정 면적을 갖는 박막 형태로 형성된다. 제3 마스크(166)는 내부에 제1 마스크(162) 및 제2 마스크(164)가 삽입 배치되는 제2 삽입 홀이 형성되어 소정 면적을 갖는 박막 형태로 형성된다.

[102]

이때, 마스크(160) 형성 단계(S250)는 최 외각에 배치되는 마스크(160; 예를 들면, 제2 마스크(164) 또는 제3 마스크(166))가 금속층(140)의 외주와 상호 이격되도록 배치하여 마스크(160)가 금속층(140)의 일면 내측에 배치되도록 한다.

[103]

마스크(160) 형성 단계(S250)는 배치된 마스크(160)를 노광하여 경화시켜 금속층(140)의 일면에 마스크(160; 즉, 제1 마스크(162), 제2 마스크(164) 및 제3 마스크(166))를 형성한다.

[104]

경사 돌출부(142) 형성 단계(S270)는 금속층(140)을 에칭하여 외주에 경사 돌출부(144)를 형성한다. 이때, 경사 돌출부(144) 형성 단계(S270)는 마스크(160)에 의해 노출된 금속층(140)의 일부(즉, 금속층(140)의 외주부 및 마스크(160)들 간의 이격 공간)를 식각하여, 금속층(140)의 하부로 갈수록 세라믹 기재(120)의 외주 방향으로 경사를 갖는 경사 돌출부(144)를 형성한다. 이때, 경사 돌출부(144) 형성 단계(S270)는 적어도 하나 이상의 오목부(146)를 갖는 경사 돌출부(144)가 형성된다.

[105]

일례로, 경사 돌출부(144) 형성 단계(S270)는 S250 단계에서 제1 마스크(162) 및 제2 마스크(164)를 형성한 경우, 제1 마스크(162)와 제2 마스크(164) 사이에 형성되는 이격 공간에 해당하는 금속층(140)의 일부가 에칭액에 의해 식각되고, 제2 마스크(164)의 양측에 해당하는 금속층(140)의 일부가 에칭액에 의해 식각되어 금속층(140)의 외주에 두 개의 오목부(146)를 갖는 경사 돌출부(144)가 형성된다.

[106]

다른 일례로, 경사 돌출부(144) 형성 단계(S270)는 S250 단계에서 제1 마스크(162) 내지 제3 마스크(166)를 형성한 경우, 제1 마스크(162)와 제2 마스크(164) 사이에 형성되는 이격 공간 및 제2 마스크(164)와 제3 마스크(166) 사이에 형성되는 이격 공간에 해당하는 금속층(140)의 일부가 에칭액에 의해 식각되고, 제2 마스크(164) 및 제3 마스크(166)의 양측에 해당하는 금속층(140)의 일부가 에칭액에 의해 식각되어 금속층(140)의 외주에 세 개의 오목부(146)를 갖는 경사 돌출부(144)가 형성된다.

[107]

경사 돌출부(144) 형성 단계(S270)는 금속층(140)의 외주 상부와 연결되고 세라믹 기판(100)에 직교하는 가상선을 기준으로 세라믹 기재(120)의 외주 방향으로 돌출되고, 곡선 형태의 경사를 갖는 경사 돌출부(144)를 형성한다. 경사 돌출부(144) 형성 단계(S270)는 금속층(140)의 두께의 대략 1/2 이하의 길이를 갖도록 경사 돌출부(144)를 형성한다.

[108]

마스크(160) 제거 단계(S290)는 금속층(140)에 경사 돌출부(144)를 형성한 후 에칭액을 통해 금속층(140)의 일면에 배치된 마스크(160)들을 식각한다. 이를 통해, 마스크(160) 식각 단계(S290)에서 마스크(160)가 제거되어 최종 상태의 세라믹 기판(100)이 제작된다.

[109]

도 15 및 도 16을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 세라믹 기판 제조방법은 세라믹 기재(120) 준비 단계(S310), 금속층(140)을 형성하는 단계(S330), 마스크(160) 형성 단계(S350), 경사 돌출부(142, 144) 형성 단계(S370) 및 마스크(160) 제거 단계(S390)를 포함한다. 여기서, 세라믹 기재(120) 준비 단계(S310) 및 금속층(140)을 형성하는 단계(S330)는 제1 실시예에 따른 세라믹 기판(100) 제조 방법의 세라믹 기재(120) 준비 단계(S110) 및 금속층(140)을 형성하는 단계(S130)와 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.

[110]

마스크(160) 형성 단계(S350)는 금속층(140)의 일면에 복수의 마스크(160)를 형성한다. 즉, 마스크(160) 형성 단계(S350)는 세라믹 기재(120) 상에 형성하고자 하는 패턴 형상에 따라 복수의 마스크(160)를 배치한다. 이때, 금속층(140)의 외주와 마스크(160)의 외주가 상호 이격되도록 배치하여 복수의 마스크(160)가 금속층(140)의 일면 내측에 배치되도록 한다. 마스크(160) 형성 단계(S350)는 배치된 복수의 마스크(160)를 노광한 후 경화시켜 금속층(140)의 일면에 복수의 마스크(160)를 형성한다.

[111]

마스크(160) 형성 단계(S350)는 세라믹 기재(120) 및 금속층(140)의 면적보다 좁은 면적을 갖는 복수의 마스크(160; 예를 들면, 드라이 필름)를 금속층(140)의 일면에 배치한다. 복수의 마스크(160)는 각각 독립된 금속층(140)을 형성하기 위기 위해 소정 형성으로 형성되며, 상호간 소정 간격 이격 배치된다.

[112]

이때, 마스크(160) 형성 단계(S350)는 마스크(160)에 의해 형성되는 패턴들 간의 간격에 따라 다단 돌출부(144)가 형성되는 부분에 마스크(160)와 소정 간격 이격되는 서브 마스크(162)가 배치된다. 여기서, 복수의 마스크(160) 형성 단계(S350)는 도 19 및 20에 도시된 제1 마스크(162) 및 제2 마스크(164)의 배치 또는 제1 마스크(162), 제2 마스크(164) 및 제3 마스크(166)의 배치에 대한 상기의 마스크 형성 단계(S250)의 설명과 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.

[113]

돌출부 형성 단계(S370)는 금속층(140)을 에칭하여 외주에 테이퍼 돌출부(142)를 형성한다. 즉, 돌출부 형성 단계(S370)는 복수의 마스크(160)에 의해 노출된 금속층(140)의 일부를 에칭액(예를 들면, 염화제이철(FeCl3))으로 식각하여, 금속층(140)의 하부로 갈수록 세라믹 기재(120)의 외주 방향으로 경사를 갖는 테이퍼 돌출부(142)를 형성한다.

[114]

돌출부 형성 단계(S370)는 기본형 세라믹 AMB 기판과 동일한 농도, 시간, 속도(정도)로 에칭하는 경우 금속층(140)의 외주부가 내측으로 경사진 형태로 형성된다.

[115]

따라서, 돌출부 형성 단계(S370)는 기본형 세라믹 AMB 기판의 제조시 사용되는 에칭액보다 낮은 농도의 에칭액으로 금속층(140)의 외주부를 식각하거나, 에칭 시간을 짧게 하거나, 에칭 속도(정도)를 느리게 하는 것이 바람직하다.

[116]

이에, 종래의 기본형 세라믹 AMB 기판의 제조시 에칭 가공도를 100%로 가정할 경우, 돌출부 형성 단계(S370)는 대략 85% 정도의 에칭 가공도로 테이퍼 돌출부(142)를 형성한다.

[117]

물론, 돌출부 형성 단계(S370)는 기본형 세라믹 AMB 기판의 제조시 에칭 속도보다 느린 에칭 속도로 금속층(140)의 외주부를 식각하거나, 기본형 세라믹 AMB 기판의 제조시 에칭 시간보다 짧은 에칭 시간으로 금속층(140)의 외주부를 식각할 수도 있다.

[118]

돌출부 형성 단계(S370)는 금속층(140)의 외주 상부와 연결되고 세라믹 기판(100)에 직교하는 가상선을 기준으로 세라믹 기재(120)의 외주 방향으로 돌출되고, 곡선 형태의 경사를 갖는 테이퍼 돌출부(142)를 형성한다.

[119]

돌출부 형성 단계(S370)는 금속층(140)의 두께의 대략 1/2 이하의 길이를 갖도록 테이퍼 돌출부(142)를 형성한다.

[120]

이와 동시에, 돌출부 형성 단계(S370)는 적어도 하나 이상의 오목부를 갖는 다단 돌출부(144)가 형성된다. 즉, 돌출부 형성 단계(S370)는 마스크(160)와 서브 마스크(162) 사이에 형성되는 이격 공간에 해당하는 금속층(140)의 일부가 에칭액에 의해 식각되고, 서브 마스크(162)의 양측에 해당하는 금속층(140)의 일부가 에칭액에 의해 식각되어 금속층(140)의 외주에 두 개의 오목부를 갖는 다단 돌출부(144)가 형성된다.

[121]

마스크(160) 제거 단계(S390)는 금속층(140)에 테이퍼 돌출부(142) 및 다단 돌출부(144)를 형성한 후 에칭액을 통해 금속층(140)의 일면에 배치된 마스크(160)를 식각한다. 이를 통해, 마스크(160) 식각 단계(S390)에서 마스크(160)가 제거되어 최종 상태의 세라믹 기판(100)이 제작된다.

[122]

도 17 및 도 18을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 세라믹 기판 제조방법은 세라믹 기재(120) 준비 단계(S410), 금속층(140)을 형성하는 단계(S430), 마스크(160) 형성 단계(S450), 경사 돌출부(142, 144) 형성 단계(S470) 및 마스크(160) 제거 단계(S490)를 포함한다. 여기서, 세라믹 기재(120) 준비 단계(S410) 및 금속층(140)을 형성하는 단계(S430)는 제1 실시예에 따른 세라믹 기판(100) 제조 방법의 세라믹 기재(120) 준비 단계(S110) 및 금속층(140)을 형성하는 단계(S130)와 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.

[123]

마스크(160) 형성 단계(S450)는 금속층(140)의 일면에 마스크(160)를 형성한다. 즉, 마스크(160) 형성 단계(S450)는 테이퍼 돌출부(142)의 형성을 위해 금속층(140)의 면적보다 좁은 면적을 갖는 마스크(160; 예를 들면, 드라이 필름)를 금속층(140)의 일면에 배치한다. 마스크(160) 형성 단계(S450)는 금속층(140)의 외주와 마스크(160)의 외주가 상호 이격되도록 배치하여 마스크(160)가 금속층(140)의 일면 내측에 배치되도록 한다.

[124]

한편, 마스크(160) 형성 단계(S450)는 금속층(140)의 일면에 복수의 마스크(160)를 형성할 수도 있다. 즉, 마스크(160) 형성 단계(S450)는 다단 돌출부(144)의 형성을 위해 둘 이상의 마스크(160)를 금속층(140)의 일면에 형성할 수도 있다.

[125]

마스크(160) 형성 단계(S450)는 배치된 마스크(160)를 노광하여 경화시켜 금속층(140)의 일면에 마스크(160)를 형성한다. 이때, 마스크(160) 형성 단계(S450)는 금속층(140)의 외주 중 단변, 꼭지점, 모서리 등의 일부에는 상대적으로 두께를 얇게 형성할 수 있는 다단 돌출부(144)를 형성하기 위한 마스크(160)를 형성하고, 나머지 외주의 일부에는 테이퍼 돌출부(142)를 형성하기 위한 마스크(160)를 형성할 수 있다. 여기서, 복수의 마스크(160) 형성 단계(S450)는 도 19 및 20에 도시된 제1 마스크(162) 및 제2 마스크(164)의 배치 또는 제1 마스크(162), 제2 마스크(164) 및 제3 마스크(166)의 배치에 대한 상기의 마스크 형성 단계(S250)의 설명과 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.

[126]

경사 돌출부(142, 144) 형성 단계(S470)는 금속층(140)을 에칭하여 외주에 경사 돌출부(142, 144)를 형성한다. 이때, 경사 돌출부(142, 144) 형성 단계(S470)는 마스크(160)에 의해 노출된 금속층(140)의 일부(즉, 금속층(140)의 외주부)를 에칭액(예를 들면, 염화제이철(FeCl3))으로 식각하여, 금속층(140)의 하부로 갈수록 세라믹 기재(120)의 외주 방향으로 경사를 갖는 경사 돌출부(142, 144)를 형성한다.

[127]

경사 돌출부(142, 144) 형성 단계(S470)는 금속층(140)의 외부에 테이퍼 돌출부(142) 및 다단 돌출부(144) 중에 적어도 하나를 형성한다. 즉, 경사 돌출부(142, 144) 형성 단계(S470)는 금속층(140)의 외주 상부와 연결되고 세라믹 기판(100)에 직교하는 가상선을 기준으로 세라믹 기재(120)의 외주 방향으로 돌출되고, 곡선 형태의 경사를 갖는 테이퍼 돌출부(142) 또는 복수의 오목부(146)가 형성된 다단 돌출부(142)를 형성한다.

[128]

이때, 경사 돌출부 형성 단계(S470)는 접합 스트레스가 집중되는 외주 일부에 다단 돌출부(144)를 형성하고, 나머지 외주에 테이퍼 돌출부(142)를 형성할 수 있다. 즉, 금속층(140)은 단변, 꼭지점, 모서리 등과 같이 일부 영역(148)에 접합 스트레스가 집중되므로, 경사 돌출부 형성 단계(S470)는 금속층(140)의 외주 중 단변, 꼭지점, 모서리 등에 해당하는 일부에는 상대적으로 두께를 얇게 형성할 수 있는 다단 돌출부(144)를 형성한다. 경사 돌출부 형성 단계(S470)는 상대적으로 적은 접합 스트레스를 받는 나머지 외주의 일부(예를 들면, 장변)에는 테이퍼 돌출부(142)가 형성된다.

[129]

경사 돌출부 형성 단계(S470)는 기본형 세라믹 AMB 기판과 동일한 농도, 시간, 속도(정도)로 에칭하는 경우 금속층(140)의 외주부가 내측으로 라운드진 형태로 형성된다.

[130]

따라서, 경사 돌출부 형성 단계(S470)는 기본형 세라믹 AMB 기판의 제조시 사용되는 에칭액보다 낮은 농도의 에칭액으로 금속층(140)의 외주부를 식각하거나, 에칭 시간을 짧게 하거나, 에칭 속도(정도)를 느리게 하는 것이 바람직하다.

[131]

이에, 종래의 기본형 세라믹 AMB 기판의 제조시 에칭 가공도를 100%로 가정할 경우, 경사 돌출부 형성 단계(S470)는 대략 85% 정도의 에칭 가공도로 경사 돌출부를 형성한다.

[132]

물론, 경사 돌출부 형성 단계(S470)는 기본형 세라믹 AMB 기판의 제조시 에칭 속도보다 느린 에칭 속도로 금속층(140)의 외주부를 식각하거나, 기본형 세라믹 AMB 기판의 제조시 에칭 시간보다 짧은 에칭 시간으로 금속층(140)의 외주부를 식각할 수도 있다.

[133]

경사 돌출부 형성 단계(S470)에서는 세라믹 기재(120)와 설정 각도 범위 이내의 경사도를 갖는 경사 돌출부를 형성한다. 여기서, 경사도는 테이퍼 돌출부(142)가 금속층(140) 및 세라믹 기재(120)와 접하는 두 점을 연결한 선과 세라믹 기재(120)의 표면 간의 각도이거나, 다단 돌출부(144)가 세라믹 기재(120)와 접하는 점과 오목부(166)들 사이 형성되는 돌출부의 꼭지점을 연결한 선 및 세라믹 기재(120)의 표면 간의 각도일 수 있다.

[134]

금속층(140)은 외주의 두께가 증가할수록 세라믹 기재(120)와의 접합 스트레스가 증가한다. 접합 스트레스가 증가하면 급속한 온도 변화에서 금속층(140)이 세라믹 기재(120)로부터 분리될 수 있다.

[135]

금속층(140)가 세라믹 기재(120)로부터 분리되는 것을 방지하기 위해서 접합 강도를 유지하면서 접합 스트레스를 최소화해야 하기 때문에, 금속층(140)의 외주에 세라믹 기재(120)와 설정 각도 범위 이내의 경사도를 갖는 경사 돌출부(142, 144)를 형성하여 두께를 최소화한다.

[136]

이때, 경사 돌출부(142, 144)는 접합 스트레스를 최소화하기 위해 세라믹 기재(120)와 대략 33°이하의 경사도(θ)를 갖도록 형성된다. 여기서, 경사도가 너무 낮게 형성되면 접합 강도가 저하되어 경사 돌출부(142, 144)가 세라믹 기재(120)로부터 분리될 수 있으므로, 경사 돌출부(142, 144)는 접합 스트레스를 최소화하기 위해 세라믹 기재(120)와 대략 27°이상 33°이하의 경사도(θ)를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

[137]

마스크(160) 제거 단계(S490)는 금속층(140)에 경사 돌출부를 형성한 후 에칭액을 통해 금속층(140)의 일면에 배치된 마스크(160)를 식각한다. 이를 통해, 마스크(160) 식각 단계(S490)에서 마스크(160)가 제거되어 최종 상태의 세라믹 기판(100)이 제작된다.

[138]

이러한 세라믹 AMB 기판의 내균열성 및 내분리성을 시험하기 위해, 도 21에 도시된 바와 같이, 서로 다른 구성을 갖는 제1 세라믹 AMB 기판 내지 제4 세라믹 AMB 기판을 이용하여 열 충격 시험을 시험하였다.

[139]

제1 세라믹 AMB 기판은 ZTA의 조성비가 대략 9% 정도이고 대략 0.32mm 정도의 두께를 갖는 세라믹 기재 및 ETP(Electrolytic Tough Pitch Copper) 재질로 대략 0.3mm 정도의 두께를 갖는 금속층이 적용되고, 제2 세라믹 AMB 기판은 질화알루미늄(AlN)으로 구성되고 대략 0.64mm 정도의 두께를 갖는 세라믹 기재 및 OFC(Oxygen Free Copper) 재질로 대략 0.3mm 정도의 두께를 갖는 금속층이 적용되며, 제3 세라믹 AMB 기판은 산화알루미늄(Al2O3)으로 구성되고 대략 0.50mm 정도의 두께를 갖는 세라믹 기재 및 OFC 재질로 대략 0.3mm 정도의 두께를 갖는 금속층이 적용되고, 제4 세라믹 AMB 기판은 ZTA의 조성비가 대략 15% 정도이고 대략 0.32mm 정도의 두께를 갖는 세라믹 기재 및 OFC 재질로 대략 0.3mm 정도의 두께를 갖는 금속층이 적용된다.

[140]

도 22 내지 도 25를 참조하면, 제1 세라믹 AMB 기판 내지 제4 세라믹 AMB 기판의 금속층을 딤플형, 테이퍼형, 1-Step 및 2-Step으로 형성하고 열 충격 시험을 수행한 결과, 종래의 딤플 형태가 적용된 경우와 본 발명의 실시예에 따른 금속층의 형태(즉, 테이퍼형, 1-Step 및 2-Step)이 적용된 경우 모두 600 Cycle까지 내부 균열 및 층분리가 발생하지 않은 것을 알 수 있다. 여기서, 테이퍼형은 경사 돌출부가 형성된 금속층을 의미하고, 1-Step은 경사 돌출부에 두 개의 오목부가 형성된 금속층을 의미하고, 2-Step은 경사 돌출부에 세 개의 오목부가 형성된 금속층을 의미한다.

[141]

이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 기판은 종래의 딤플형 세라믹 AMB 기판과 동등한 수준의 내균열성 및 내분리성을 갖는 것을 알 수 있다.

[142]

하지만, 종래의 딤플형 세라믹 AMB 기판은 내부 균열 및 층분리를 방지하기 위해서 많은 수의 딤플이 형성되어야 하기 때문에 금속층의 면적이 감소하게 되어 전기전도도, 열저항 등의 전기적 특성이 저하된다.

[143]

이에 반해, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 기판은 종래의 딤플형 세라믹 AMB 기판에 비해 금속층의 면적이 증가하여 전기전도도, 열저항 등의 전기적 특성이 향상되면서, 종래의 딤플형 세라믹 AMB 기판과 동등한 수준의 내균열성 및 내분리성을 구현할 수 있는 효과가 있다.

[144]

또한, 종래의 딤플형 세라믹 AMB 기판은 전기적 특성의 저하를 방지하기 위해 금속층의 일부에만 딤플을 형성하는 경우, 딤플이 형성되지 않은 영역에서 급속한 온도 변화에서 금속층 내에 균열이 발생하거나, 금속층이 세라믹 기재로부터 분리된다.

[145]

이에 반해, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 기판은 종래의 딤플형 세라믹 AMB 기판에 비해 상대적으로 넓은 면적으로 형성되기 때문에 동등한 전기적 특성을 형성하는 경우 상대적으로 높은 내균열성 및 내분리성을 구현할 수 있는 효과가 있다.

[146]

또한, 딤플형 세라믹 AMB 기판은 딤플의 면적 점유율이 높아지게 되어 저항이 높아지고, 강도 및 세라믹 기재와 금속층의 접합 강도가 저하되고, 미세패턴에 적용할 수 없다.

[147]

이에 반해, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 기판은 종래의 딤플형 세라믹 AMB 기판에 비해 상대적으로 넓은 면적으로 형성되기 때문에 강도, 접합 강도를 강하게 유지할 수 있고, 미세패턴에도 적용할 수 있는 효과가 있다.

[148]

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 기판 및 그 제조방법은 종래의 세라믹 AMB 기판에 비해 사용 수명을 연장하면서 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

[149]

또한, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 기판 및 그 제조방법은 경사 돌출부의 형성시 마스크(즉, 드라이 필름)의 에칭형태를 조절함으로써, 2~3차례의 추가 에칭 작업을 수행하지 않기 때문에 후공정 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

[150]

또한, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 기판 및 그 제조방법은 금속층에 경사 돌출부를 형성함으로써, 금속층 외주(Edge)에 에너지를 분산시켜 AMB IGBT(insulated gate bipolar mode transistor) 기판의 장기 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

[151]

또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 세라믹 기판 및 세라믹 기판 제조 방법은 금속층의 외주 중 단변, 꼭지점, 모서리 등과 같이 스트레스(stress)가 집중되는 외주에 세라믹 기재와 설정 각도 범위 이내의 경사를 갖는 다단 돌출부를 형성하고, 금속층의 나머지 외주에 테이퍼 돌출부를 형성함으로써, 접합 강도를 유지하면서 접합 스트레스를 최소화하는 두께를 형성하여 금속층이 세라믹 기재로부터 분리되는 것을 방지할 수 있다.

[152]

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 다양한 형태로의 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속할 수 있다. 따라서, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

[153]

본 발명은 세라믹 기판 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 종래의 딤플형 세라믹 AMB 기판에 비해 금속층의 면적 감소로 인한 전기전도도나 열저항 등의 전기적 특성이 저하되는 점을 극복할 수 있고, 종래의 세라믹 AMB 기판에 비해 사용 수명을 연장하면서 신뢰성을 확보할 수 있는 효과를 가질 수 있다.

[154]

본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 기판은 자동차, 풍력터빈, 고전압 장거리 DC 전송 등 여러 산업 분야에서 에너지 저장, 이동 및 발전을 위한 기재의 안정적이고 전기적 특성이 우수한 기판으로 이용 가능하다.

[155]



[1]

One embodiment of the present invention provides: a ceramic substrate in which an inclined protrusion part is formed on an outer circumference of a metal layer adhered to a ceramic base so as to increase adhesion strength; and a manufacturing method therefor. The inclined protrusion part can comprise: a tapered protrusion part and a multi-step protrusion part on the outer circumference of the metal layer according to a spacing between the metal layer adhered to the ceramic base and other adjacent metal layers; and a multi-step protrusion part, which has an inclination within a set angle range with respect to the ceramic substrate and is formed on the outer circumference, at which stresses are focused, such as at the short side, apex, and edge of the outer circumference of the metal layer, and a tapered protrusion part, which is formed at the remaining outer circumference. Compared to conventional dimple type ceramic AMB substrates, the ceramic substrate and manufacturing method therefor increase the area of the metal layer so as to improve electrical characteristics such as electrical conductivity and thermal resistivity, and can maintain crack resistance, separation resistance and adhesion strength to be at the level of or relatively higher than that of the conventional dimple type ceramic AMB substrates, thereby providing an effect of extending lifespan, ensuring reliability and being applicable to a detailed pattern.

[2]



세라믹 기재 및

상기 세라믹 기재의 적어도 일면에 접합되는 금속층을 포함하고,

상기 금속층은 외주에 경사 돌출부가 형성되는 세라믹 기판.

제1항에 있어서,

상기 금속층은 브레이징을 통해 상기 세라믹 기재의 일면에 접합되는 세라믹 기판.

제1항에 있어서,

상기 세라믹 기재 및 상기 금속층 사이에 개재되어 상기 세라믹 기재 및 상기 금속층을 접합시키는 접합층을 더 포함하는 세라믹 기판.

제1항에 있어서,

상기 경사 돌출부는 상기 금속층의 외주와 연결되고 상기 세라믹 기판에 직교하는 가상선보다 상기 세라믹 기재의 외주 방향으로 돌출되는 세라믹 기판.

제1항에 있어서,

상기 경사 돌출부는 상기 세라믹 기재 방향으로 갈수록 돌출 길이가 증가하는 세라믹 기판.

제1항에 있어서,

상기 경사 돌출부는 상기 세라믹 기재 방향으로 오목한 형상으로 형성되는 세라믹 기판.

제1항에 있어서,

상기 경사 돌출부는 상기 세라믹 기판의 외주 방향으로 돌출된 길이가 상기 금속층의 두께보다 짧은 길이로 형성되는 세라믹 기판.

제1항에 있어서,

상기 경사 돌출부는 복수의 오목부가 형성되는 세라믹 기판.

제8항에 있어서,

상기 경사 돌출부는 오목부와 오목부가 접하는 부분에 돌출부가 형성되는 세라믹 기판.

제1항에 있어서,

상기 경사 돌출부는 테이퍼 돌출부 및 다단 돌출부이고,

상기 테이퍼 돌출부가 형성된 상기 금속층의 외주와 다른 금속층의 간격은 상기 다단 돌출부가 형성된 상기 금속층의 외주와 다른 금속층의 간격보다 좁은 것을 특징으로 하는 세라믹 기판.

제1항에 있어서,

상기 금속층은 다른 금속층과의 간격이 최대 설정 간격을 초과하면 상기 다른 금속층과 인접한 외주에 다단 돌출부가 형성되는 세라믹 기판.

제1항에 있어서,

상기 금속층은 다른 금속층과의 간격이 최소 설정 간격 미만이면 상기 다른 금속층과 인접한 외주에 테이퍼 돌출부가 형성되는 세라믹 기판.

제1항에 있어서,

상기 금속층은 다른 금속층과의 간격이 최소 설정 간격 이상이고 최대 설정 간격 이하이면 상기 다른 금속층과 인접한 외주에 테이퍼 돌출부 또는 다단 돌출부가 형성되는 세라믹 기판.

제13항에 있어서,

상기 금속층은,

상기 다른 금속층에 테이퍼 돌출부가 형성되면 상기 다른 금속층과 인접한 외주에 다단 돌출부가 형성되고,

상기 다른 금속층에 다단 돌출부가 형성되면 상기 다른 금속층과 인접한 외주에 테이퍼 돌출부가 형성되는 세라믹 기판.

제1항에 있어서,

상기 경사 돌출부는

상기 금속층의 외주 중 스트레스가 집중되는 일부 영역에 형성되는 다단 돌출부를 포함하는 세라믹 기판.

제15항에 있어서,

상기 다단 돌출부는

상기 금속층의 단변, 모서리 및 꼭지점 중 적어도 어느 하나에 형성된 세라믹 기판.

제15항에 있어서,

상기 다단 돌출부는

상기 세라믹 기재와 27° 이상 33° 이하의 경사도를 갖고,

상기 경사도는 상기 다단 돌출부가 상기 세라믹 기재와 접하는 점과 오목부들 사이 형성되는 돌출부의 꼭지점을 연결한 선, 및 상기 세라믹 기재의 표면 간의 각도인 세라믹 기판.

제15항에 있어서,

상기 경사 돌출부는

상기 금속층의 다른 외주에 형성되는 테이퍼 돌출부를 더 포함하는 세라믹 기판.

제18항에 있어서,

상기 테이퍼 돌출부는 상기 세라믹 기재와 27° 이상 33° 이하의 경사도를 갖고,

상기 경사도는 상기 테이퍼 돌출부가 상기 금속층 및 상기 세라믹 기재와 접하는 두 점을 연결한 선, 및 상기 세라믹 기재의 표면 간의 각도인 세라믹 기판.

제1항에 있어서,

상기 경사 돌출부는 곡선 형태의 경사를 갖는 세라믹 기판.

세라믹 기재를 준비하는 단계;

상기 세라믹 기재의 적어도 일면에 금속층을 형성하는 단계;

상기 금속층의 일면에 마스크를 형성하는 단계; 및

상기 마스크에 의해 노출된 상기 금속층의 일부를 식각하여 경사 돌출부를 형성하는 단계를 포함하는 세라믹 기판 제조방법.

제21항에 있어서,

상기 경사 돌출부를 형성하는 단계는,

상기 금속층의 외주와 연결되고 상기 세라믹 기판에 직교하는 가상선보다 상기 세라믹 기재의 외주 방향으로 돌출되는 경사 돌출부를 형성하는 단계를 포함하는 세라믹 기판의 제조방법.

제21항에 있어서,

상기 경사 돌출부를 형성하는 단계는,

복수의 오목부가 형성되는 경사 돌출부를 형성하는 단계를 포함하는 세라믹 기판 제조방법.

제21항에 있어서,

상기 마스크를 형성하는 단계에서 상호 이격된 복수의 마스크를 사용하고,

상기 경사 돌출부를 형성하는 단계에서 경사 돌출부는 테이퍼 돌출부 및 다단 돌출부를 구비하는 경사 돌출부FI17053PCK가 형성되며,

상기 테이퍼 돌출부가 형성된 상기 금속층의 외주와 다른 금속층의 간격은 상기 다단 돌출부가 형성된 상기 금속층의 외주와 다른 금속층의 간격보다 좁은 세라믹 기판 제조방법.

제21항에 있어서,

상기 경사 돌출부를 형성하는 단계는,

상기 금속층의 외주 중 스트레스가 집중되는 일부 영역에 다단 돌출부를 형성하는 단계를 포함하고,

상기 다단 돌출부를 형성하는 단계는 상기 세라믹 기재와 27° 이상 33° 이하의 경사도를 갖는 다단 돌출부를 형성하는 단계를 포함하고,

상기 경사도는 상기 다단 돌출부가 상기 세라믹 기재와 접하는 점과 오목부들 사이 형성되는 돌출부의 꼭지점을 연결한 선, 및 상기 세라믹 기재의 표면 간의 각도인 세라믹 기판 제조방법.