陶瓷基板及其制造方法
阅读说明：本技术 陶瓷基板及其制造方法 (Ceramic substrate and method for manufacturing same ) 是由 李志炯 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种陶瓷基板及其制造方法,其抑制借助陶瓷基底的上下部金属层所占据的体积的差而产生的弯曲现象,尤其在陶瓷基底上的上下部金属层的厚度相同的情况,控制上下部金属层的面积,从而可减少陶瓷基板的不良率。(The invention provides a ceramic substrate and a manufacturing method thereof, which can inhibit the bending phenomenon caused by the difference of the volume occupied by the upper and lower metal layers of a ceramic substrate, especially control the area of the upper and lower metal layers under the condition that the thicknesses of the upper and lower metal layers on the ceramic substrate are the same, thereby reducing the fraction defective of the ceramic substrate.)
技术领域
本发明涉及一种陶瓷基板及其制造方法，尤其涉及一种陶瓷基板及其制造方法，通过控制上下部金属层的体积及面积的比例，用于防止陶瓷基板弯曲。
背景技术
陶瓷基板通过在陶瓷基底将类似铜箔的金属箔附着为一体而构成。陶瓷基板通过AMB(Active Metal Brazing,活性金属钎焊)、DBC(Direct Bond Copper,直接键合铜)等制造工艺生成，根据制造工艺上的差异也可区分为AMB陶瓷基板、DBC陶瓷基板等。
区别在于，DBC陶瓷基板借助在陶瓷基底直接接合可氧化的金属的工艺而制造，AMB陶瓷基板通过将活性金属(active metal)钎焊(brazing)在陶瓷基底而形成层，并在钎焊层(brazing layer)钎焊(brazing)金属而制造。
并且，通常两工艺均在形成金属层后，经过光刻(photolithography)工艺后，借助蚀刻(etching)形成图案层。
但是，在陶瓷基底的两面形成金属层时，根据两面的图案排列可能产生金属层的面积乃至厚度的差异，如果该差异超过一定比例，则高温环境下会产生陶瓷基板弯曲的现象(warpage)。
最终，如果弯曲程度超过0.4％，则只能成为因不良而被废弃的水准，该情况产生的比例占据整个生产量中比较大的比重，从而引起持续的生产损失的问题。
根据经验性数据可以得知，如果两金属层的体积比达到75％～85％范围，则弯曲程度超过0.4％。
如图1的例示所示，就陶瓷基板10而言，在形成于陶瓷基底1的上面的金属层2和形成于陶瓷基底1的下面的金属层3的体积比脱离适当范围的情况，高温环境下会产生基板弯曲的现象，此时，金属层3的体积更大的情况称为负弯曲(negative warpage)，负弯曲的情况比与之相反的正弯曲(positive warpage)的情况产生得多。
那么，增加陶瓷基底1的厚度没有经济性且存在限制，难以将上下部金属层2、3在设计上保持相同的厚度比的情况也非常多。
先行技术文献
(专利文献1)韩国登记专利公报第10-0731604号
(专利文献2)韩国登记专利公报第10-1053141号
发明内容
本发明为了解决上述的问题而提出，本发明的目的在于，提供一种陶瓷基板及其制造方法，其抑制借助陶瓷基底的上下部金属层所占据的体积的差异而产生的弯曲(warpage)现象，尤其在陶瓷基底上的上下部金属层的厚度相同的情况，控制上下部金属层的面积，从而可减少陶瓷基板的不良率。
本发明的陶瓷基板包括：陶瓷基底；第一电极层，其形成于陶瓷基底的上部；以及第二电极层，其形成于陶瓷基底的下部，且满足下面的式(1)：
(在此，V1表示第一电极层的体积，V2表示第二电极层的体积)。
此外，陶瓷基板的第一电极层及第二电极层的厚度相同，且满足下面的式(2)：
(在此，S1表示第一电极层的面积，S2表示第二电极层的面积)。
在此，第一电极层及第二电极层的任意一个或两个配备有多个子电极层。
另外，子电极层借助狭缝分离电极层。
此外，狭缝包括将电极层上下分离的第一狭缝及将电极层左右分离的第二狭缝中任意一个或两个以上。
此外，通过下面的式(3)定义的陶瓷基板的弯度比(camber ratio)R为0.4％以下，
(在此，T表示将陶瓷基板放置在平面上时，从陶瓷基板的最高位置到平面的最短长度，t表示陶瓷基板的厚度，L表示陶瓷基板的长度)。
在此，在陶瓷基底和第一电极层之间及陶瓷基底和第二电极层之间的任意一侧或两侧包括接合层。
此外，从陶瓷基板的最高位置到平面的最短长度T和陶瓷基板厚度t0的差即(T-t0)和陶瓷基板的长度(L0)的关系满足下面的式(4)：
T-t0≤0.004L0 式(4)
在此，陶瓷基底选自氧化铝、氮化铝、氮化硅及ZTA(氧化锆增韧氧化铝，ZirconiaToughened Alumina)。
此外，陶瓷基板用于汽车发动机、风力轮机及高电压DC传送装置的任意一个。
本发明陶瓷基板的制造方法包括：准备陶瓷基底的步骤；在陶瓷基底的上部形成第一电极层的步骤；以及在陶瓷基底的下部形成第二电极层的步骤，且满足下面的式(1)：
(在此，V1表示第一电极层的体积，V2表示第二电极层的体积)。
此外，第一电极层及第二电极层的厚度相同，且满足下面的式(2)：
(在此，S1表示第一电极层的面积，S2表示第二电极层的面积)。
在此，陶瓷基板可根据AMB(Active Metal Brazing,活性金属钎焊)、DBC(DirectBond Copper,直接键合铜)的任意一种工艺制造。
另外，第一电极层及第二电极层的任意一个或两个配备有多个子电极层。
此外，通过狭缝对第一电极层及第二电极层的任意一个或两个进行分离并形成。
此外，将第一电极层及第二电极层形成于陶瓷基底之前，还包括将第一电极层及第二电极层的任意一个或两个分离为子电极层后，将子电极层形成于陶瓷基底的步骤。
此外，将第一电极层及第二电极层形成于陶瓷基底后，还包括将第一电极层及第二电极层的任意一个或两个分离为子电极层的步骤。
在此，分离为子电极层的步骤使用对第一电极层及第二电极层进行剪切、蚀刻及铸型的任意一个方法。
此外，作为分离为子电极层的步骤，通过蚀刻液对电极层进行蚀刻的情况，蚀刻液包括从氯化铁及氯化铜中选择的任意一个或两个。
此外，以使得通过下面的式(3)定义的弯度比(camber ratio)R调整为0.4以下的形式将第一电极层及第二电极层形成于陶瓷基底，
(在此，T表示将陶瓷基板放置在平面上时，从陶瓷基板的最高位置到平面的最短长度，t表示陶瓷基板的厚度，L表示陶瓷基板的长度)。
根据本发明的陶瓷基板及其制造方法，效果在于，将形成于陶瓷基底的上下部的金属层的体积差控制在特定范围内，或在陶瓷基底上的上下部的金属层的厚度相同的情况控制上下部金属层的面积，从而可将陶瓷基板的弯度的数值降低。
据此，效果在于，可制造即使在高温环境下也不会弯曲的陶瓷基板，进而改善陶瓷基板的不良率，从而可提高工艺性及生产性。
附图说明
图1是表示产生弯曲的陶瓷基板的截面图。
图2是表示本发明的陶瓷基板的截面图。
图3是在陶瓷基底形成电极层的陶瓷基板的上部及下部图。
图4及图5是在陶瓷基底形成电极层的陶瓷基板的下部图。
图6是用于说明用于测量弯度比的参数的陶瓷基板的截面图。
图7是用于表示满足本发明的弯度比的区域的曲线图。
图8是用于说明本发明的陶瓷基板的制造方法的流程图。
图9是表示本发明的实施例及比较例的陶瓷基板的照片。
标号说明
陶瓷基底：1、100
第一电极层：2、200
子电极层：200s1、200s2、200s3、200s4、200s5、200s6、200s7
第二电极层：3、300
狭缝：slit1、slit2、slit3、slit4
具体实施方式
陶瓷基板
如图2所示，根据本发明的陶瓷基板20可包括：陶瓷基底100；第一电极层200，其形成于陶瓷基底100的上部；以及第二电极层300，其形成于陶瓷基底100的下部。在此，第一电极层200及第二电极层300的体积只有在一定范围内才可抑制陶瓷基板20的弯曲。
例如，第一电极层200的体积定义为V1，第二电极层300的体积定义为V2的情况，满足下面的式(1)的时候，可显著地减少陶瓷基板20的弯曲。
此外，陶瓷基板20的设计上，需要使用相同的厚度的第一电极层200和第二电极层300。此时，根据第一电极层200和第二电极层300的图案形状可能会产生各个面积的差异，防止陶瓷基板20的弯曲的必要性变大。
例如，第一电极层200的面积定义为S1，第二电极层300的面积定义为S2的情况，满足下面的式(2)的时候，可显著地减少陶瓷基板20的弯曲。
即，如果S1与S2的比不到85％，则容易产生负弯曲(negative warpage)，表示弯曲的产生程度的弯度比超过0.4％。此外，如果S1与S2的比超过115％，则容易产生正弯曲(positive warpage)。但是，陶瓷基板20的设计上，第二电极层300的面积与第一电极层200类似或比第一电极层200小的情况非常多，因此，若S1与S2的比为105％以下，则可以在不产生正弯曲(positive warpage)的情况下制造陶瓷基板20。
另外，陶瓷基板20在陶瓷基底100和第一电极层200之间或陶瓷基底100和第二电极层300之间可包括接合层(未示出)。例如，在陶瓷基底100和第一电极层200之间及陶瓷基底100和第二电极层300之间的两侧也可形成接合层，在陶瓷基底100和第一电极层200之间及陶瓷基底100和第二电极层300之间的任意一侧也可包括接合层。
陶瓷基底100可以是在氧化铝、氮化铝、氮化硅、ZTA(氧化锆增韧氧化铝，ZirconiaToughened Alumina)中选择的任意一个，但不限定于此。
第一电极层200及第二电极层300可包括在银(Ag)、铜(Cu)、钨(W)、钼(Mo)、镍(Ni)中选择的一种或这些的合金。优选地，可使用铜(Cu)或其的合金。
第一电极层作为电子元件的连接电极，其形态或厚度、长度等以固定的形式设计于陶瓷基板的情况非常多。在此，通过调节第二电极层的狭缝，可控制第一电极层和第二电极层的体积比或面积比。即，如果在第二电极层使用很多狭缝并形成很多子电极层，则第二电极层的体积及面积减小，从而第二电极层与第一电极层的的体积比及面积比得以减小。如此，为了设计陶瓷基板，第二电极层可具有多种形态。
如图3(a)所示，形成于陶瓷基底100A的上部的第一电极层可形成有多个子电极层200s1、200s2、200s3、200s4、200s5，形成于陶瓷基底100B的下部的第二电极层可形成有单一电极层300s。或者，如图3(b)所示，形成于陶瓷基底100A的上部的第一电极层可形成有多个子电极层200s1、200s2、200s3，形成于陶瓷基底100B的下部的第二电极层可形成有多个子电极层300s1、300s2、300s3、300s4。
此外，如图4所示，分离子电极层的区域的狭缝可具有多种形态。例如，如图4(a)所示，借助将单一电极层上下分离的狭缝slit1，可分离为子电极层300s1及子电极层300s2，如图4(b)所示，借助将单一电极层左右分离的狭缝slit2，可分离为子电极层300s3及子电极层300s4。
此外，如图4(c)所示，借助将单一电极层左右分离的狭缝slit3及将单一电极层上下分离的狭缝slit4，可分离为子电极层300s5、300s6、300s7。
换句话说，通过用狭缝将第二电极层分离来调节第二电极层的体积比例及面积比例，从而可控制第一电极层和第二电极层的体积比及面积比。
然后，作为用于调节第二电极层的体积比例及面积比例的另一个例子，保持子电极层的形态的同时，调节狭缝的间隔，从而可控制第一电极层和第二电极层的体积比及面积比。
换句话说，如果将第二电极层的狭缝间隔较宽地配置，则第二电极层的体积及面积减小，从而相对于第一电极层的第二电极层的体积及面积减小。
如图5(a)所示，将单一电极层左右分离的狭缝slit3a及将单一电极层上下分离的狭缝slit4a可以以相同的狭缝间隔分离子电极层300sa5、300sa6、300sa7，如图5(b)所示，为了更加减小第二电极层的体积及面积，可通过具有比图5(a)中记载的狭缝slit3a及狭缝slit4a更宽间隔的狭缝slit3b及狭缝slit4b分离子电极层300sb5、300sb6、300sb7。
另外，如图5(c)所示，可使用多种间隔的狭缝slit3a、slit4b来分离子电极层300sc5、300sc6、300sc7。
在图4及图5中虽然例示了为了将电极层分离为子电极层而将电极层上下或左右分离的狭缝，但狭缝可具有倾斜的形态，也可具有曲线的形状。
作为与陶瓷基板的弯度相关的测量参数，可使用通过下面的式(3)定义的弯度比(camber ratio)。
即，如图6所示，将陶瓷基板放置在平面上时，对从陶瓷基板的最高位置到平面的最短长度T、陶瓷基板的厚度t0、陶瓷基板的长度L0进行测量并代入上面的式(3)，从而可测量弯度比。在此，为了获得更准确的弯度比的值，可测量多个点并使用其平均值。
优选地，本发明的弯度比R可使用0.4％以下，更为优选地，可使用0.2％以下，最为优选地，可使用0.1％以下。满足上述的式(1)及式(2)，从而可满足本发明的弯度比R。
与陶瓷基板的弯曲产生有关的参数即弯度比，根据陶瓷基板的长度和厚度的关系而有所不同。即，在陶瓷基板产生弯曲时，从陶瓷基板的最高位置到平面的最短长度和陶瓷基板厚度的差(T-t0)与陶瓷基板的长度L0的关系满足下面的式(4)的情况，陶瓷基板的弯曲产生少，从而不良率降低。
T-t0≤0.004L0 式(4)
就本发明的陶瓷基板而言，在与陶瓷基板的厚度产生弯曲时，从陶瓷基板的最高位置到平面的最短长度和陶瓷基板厚度的差，即(T-t0)的值，优选地可使用0.004L0以下，更为优选地，可使用0.002L0以下，最为优选地，可使用0.001L0以下。
另外，与弯度比R相关，将(T-t0)及L0的关系图表化的是图7。
如图7所示，在与陶瓷基板的厚度产生弯曲时，从陶瓷基板的最高位置到平面的最短长度和陶瓷基板厚度的差，即(T-t0)的值，优选地为使用0.004L0以下的区域(I)，在超过0.004L0的区域(II)存在因弯曲产生导致的不良的问题。
陶瓷基板的制造方法
下面对陶瓷基板的制造方法进行说明。
如图8所示，本发明陶瓷基板的制造方法可包括：准备陶瓷基底的步骤S10；准备满足下面的式(1)的第一电极层及第二电极层的步骤S20；以及在陶瓷基底的上部形成第一电极层的步骤及在陶瓷基底的下部形成第二电极层的步骤S30，
(在此，V1表示第一电极层的体积，V2表示第二电极层的体积)。
另外，第一电极层及第二电极层的厚度相同的情况，如图8(b)所示，本发明的陶瓷基板的制造方法可包括：准备陶瓷基底的步骤S10；准备满足下面的式(2)的第一电极层及第二电极层的步骤S25；以及在陶瓷基底的上部形成第一电极层的步骤及在陶瓷基底的下部形成第二电极层的步骤S30，
(在此，S1表示第一电极层的面积，S2表示第二电极层的面积)。
在此，将第一电极层及第二电极层形成于陶瓷基底之前，可包括将第一电极层及第二电极层的任意一个或两个分离为子电极层后，将子电极层形成于陶瓷基底的步骤。
分离为子电极层的步骤可使用对第一电极层及第二电极层进行剪切、蚀刻及铸型的任意一个方法，但在生产性的观点上，使用铸型具有工艺效率变高的优点。另外，制造细微的图案的金属层的情况可通过蚀刻液对电极层进行蚀刻。作为蚀刻液可包括从氯化铁(ferric chloride)及氯化铜(copper chloride)中选择的任意一个或两个。氯化铜可使用CuCl(Ⅰ或CuCl2(Ⅱ。
另外，就将子电极层形成于陶瓷基底的步骤而言，虽然可在将第一电极层及第二电极层形成于陶瓷基底之前形成子电极层，但也可在将第一电极层及第二电极层形成于陶瓷基底之后，使用对第一电极层及第二电极层的任意一个或两个进行剪切、蚀刻及铸型的任意一个方法来形成子电极层。
(实验例)
在实施例1至实施例4中，在陶瓷基底的上下部堆叠铜金属层并制造了厚度大约为2mm的陶瓷基板。陶瓷基底的上部铜金属层和下部铜金属层使用相同的厚度。上部铜金属层可由多个铜子电极层组成，多个铜子电极层的面积为596.0242mm2。下部铜金属层也可由多个铜子电极层组成，多个铜子电极层的面积为669.3893mm2。上部铜金属层与下部铜金属层的面积比为89.04％。
如下面的[表1]所示，在实施例1至实施例4中，可以得知弯度比显示为0.4％以下的值，从而抑制陶瓷基板的弯曲产生。这如图9(a)的陶瓷基板的照片所示，可以确认在实施例1至实施例4的陶瓷基板中几乎没有或很少有弯曲产生。
[表1]
实施例1
实施例2
实施例3
实施例4
T(mm)
2.132
2.158
2.172
2.095
t<sub>0</sub>(mm)
1.982
2.015
2.034
2.001
T-t<sub>0</sub>(mm)
0.15
0.143
0.138
0.094
L<sub>0</sub>(mm)
37.5
36.7
51.1
36.2
R(％)
0.40
0.39
0.27
0.26
另外，在比较例1至4中，在陶瓷基底的上下部堆叠铜金属层并制造了厚度大约为2mm的陶瓷基板。陶瓷基底的上部铜金属层和下部铜金属层使用相同的厚度。上部铜金属层可由多个铜子电极层组成，多个铜子电极层的面积为596.0242mm2。下部铜金属层由单一铜电极层组成，单一铜电极层的面积为759.1348mm2。上部铜金属层与下部铜金属层的面积比为78.5％。
如下面的[表2]所示，在比较例1至比较例4中，可以得知弯度比显示为比0.61％大的值，从而陶瓷基板的弯曲产生变大。这如图9(b)的陶瓷基板的照片所示，可以确认在比较例1至比较例4的陶瓷基板产生弯曲，从而产生不良。
[表2]
比较例1
比较例2
比较例3
比较例4
T(mm)
2.291
2.258
2.335
2.31
t<sub>0</sub>(mm)
2.035
2.047
2.047
2.037
T-t<sub>0</sub>(mm)
0.256
0.211
0.288
0.273
L<sub>0</sub>(mm)
35.6
34.6
34.7
34.6
R(％)
0.72
0.61
0.83
0.79
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