KR102293181B1 - Ceramic circuit board for power module of double-faced cooling, manufacturing method thereof, power module of double-faced cooling with the same - Google Patents

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배일석
박진수
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Abstract

The present invention relates to a ceramic circuit board for a double-sided cooling power module, a manufacturing method thereof, and a double-sided cooling power module having the same. The method for manufacturing a ceramic circuit board for a double-sided cooling-type power module comprises the steps of: a) preparing a ceramic substrate having a first surface and a second surface parallel to the first surface; and b) forming a three-dimensional copper pattern having a step on the first surface. The step b) comprises the steps of: b-1) forming a base copper layer on the first surface of the ceramic substrate; and b-2) forming a first copper structure protruding from the base copper layer by forming at least one copper layer by printing a copper paste on a portion of the base copper layer and then performing a heat treatment. The method of producing a ceramic circuit board for a double-sided cooling-type power module according to the present invention has an advantage in that a three-dimensional pattern can be formed on the ceramic substrate to correspond to various types of semiconductor devices mounted on the substrate.

Description

양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판, 그 제조방법 및 이를 구비한 양면 냉각형 파워 모듈{CERAMIC CIRCUIT BOARD FOR POWER MODULE OF DOUBLE-FACED COOLING, MANUFACTURING METHOD THEREOF, POWER MODULE OF DOUBLE-FACED COOLING WITH THE SAME}Ceramic circuit board for double-sided cooling power module, manufacturing method thereof, and double-sided cooling power module having the same

본 발명은 세라믹 회로 기판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양면 냉각형 파워 모듈에서 기판으로 사용되는 세라믹 회로 기판에 관한 것이다.The present invention relates to a ceramic circuit board, and more particularly, to a ceramic circuit board used as a substrate in a double-sided cooling type power module.

모바일, 가전 및 자동차 등에 폭넓게 활용되고 있는 전력 반도체(Power Semiconductor)는 전력을 변환·처리·제어하는 역할을 한다.Power semiconductors, which are widely used in mobiles, home appliances, and automobiles, play a role in converting, processing, and controlling power.

전력 공급을 위한 파워 소자 등 대전류, 고전압이 요구되는 전력 반도체 소자는 발열량이 매우 크기 때문에, 이것을 탑재하는 기판으로는 Al2O3, AlN, ZTA(Zirconia Toughened Alumina), Si3N4 등의 세라믹 재질로 이루어진 기판을 사용한다. Al2O3, AlN, ZTA, Si3N4 등의 세라믹은 높은 절연성과 기계적 강도 및 비교적 높은 방열 성능을 갖추고 있기에 고전력 전력 반도체의 기판으로 적합하다. 또한, 세라믹 회로 기판은 세라믹 기판 위에 형성된 전도성 패턴을 갖추어야 한다. 전도성 패턴으로는 Al이나 Cu 패턴이 주로 사용된다.Since power devices such as high-current, high-voltage power semiconductor device that is required for the power supply is a very large amount of heat generated, the substrate for mounting it are such as Al 2 O 3, AlN, ZTA (Zirconia Toughened Alumina), Si 3 N 4 A substrate made of a ceramic material is used. Ceramics such as Al 2 O 3 , AlN, ZTA, and Si 3 N 4 have high insulation, mechanical strength, and relatively high heat dissipation performance, so they are suitable as substrates for high-power power semiconductors. In addition, the ceramic circuit board should have a conductive pattern formed on the ceramic substrate. As the conductive pattern, an Al or Cu pattern is mainly used.

세라믹 회로 기판을 제조하는 종래의 기술은 DBC(Direct Bonded Copper), AMB(Active Metal Brazing Copper), DPC(Direct Plating Copper)가 있으며, 가장 보편적인 방법은 DBC 기술이다.Conventional techniques for manufacturing a ceramic circuit board include DBC (Direct Bonded Copper), AMB (Active Metal Brazing Copper), and DPC (Direct Plating Copper), and the most common method is DBC technology.

DBC 기술은 세라믹의 한 면 혹은 양면에 동박(Copper Foil)을 고온 산화공정으로 접합한 후 동박을 패터닝하여 세라믹 회로 기판을 제조하는 방법이다. 기판과 동박을 접착하기 위하여 구리-산소(copper-oxygen) 공정 액상(eutectic)을 이용한다. 접합은 구리의 융점인 1083℃ 이하의 온도에서, 약 30ppm의 산소를 포함하는 질소분위기에서 수행된다. DBC 방법은 접합된 동박을 일정한 패턴으로 형성하기 위하여 식각공정을 이용한다. 그리고 식각 후 Cu 패턴의 표면에 Ni, Ag와 Au를 도금한다. DBC 기술은 기계적 강도와 접착력이 양호하다는 장점이 있다. 그러나 동박의 최소 두께에 한계가 있으며, 에칭을 통해서 형성할 수 있는 패턴이 제한되며, 산화구리가 생성되지 않은 접합면에서는 기공이 존재하여 열 사이클에 대한 안정성이 떨어진다는 단점이 있다.DBC technology is a method of manufacturing a ceramic circuit board by bonding copper foil to one or both sides of a ceramic through a high-temperature oxidation process and then patterning the copper foil. A copper-oxygen process eutectic is used to bond the substrate and the copper foil. Bonding is performed in a nitrogen atmosphere containing about 30 ppm oxygen at a temperature of 1083° C. or less, which is the melting point of copper. The DBC method uses an etching process to form a bonded copper foil in a uniform pattern. After etching, Ni, Ag and Au are plated on the surface of the Cu pattern. DBC technology has the advantage of good mechanical strength and adhesion. However, there is a limit to the minimum thickness of the copper foil, a pattern that can be formed through etching is limited, and pores exist on the junction surface where copper oxide is not generated, thereby reducing stability to thermal cycles.

AMB 기술은 산소에 대해 활성인 고융점 금속(Ti, Zr, Hf 등)에 Cu, Ag 등을 첨가해 융점을 낮춘 활성금속합금을 세라믹과 동박 계면 사이에 끼워서 세라믹과 동박을 접합한다. 접합 후의 Cu 패턴은 DBC와 마찬가지로 동박을 에칭하여 형성한다.AMB technology joins ceramic and copper foil by sandwiching an active metal alloy whose melting point is lowered by adding Cu, Ag, etc. to a high-melting-point metal (Ti, Zr, Hf, etc.) that is active against oxygen between the ceramic and copper foil interface. The Cu pattern after bonding is formed by etching copper foil like DBC.

DPC 기술은 박막 필름공정, 식각공정 및 도금공정을 활용하여 세라믹 회로 기판을 제조하는 방법이다. 시드(Seed) 층을 Ti, TiW 등으로 증착한 후에 포토레지스트(PR, Photo Resist)를 도포하고, 패터닝을 실시한 후에 Cu 도금을 통해서, Cu 층을 형성한다. Cu 층의 두께는 약 150㎛까지로 제한된다.DPC technology is a method of manufacturing a ceramic circuit board using a thin film process, an etching process, and a plating process. After depositing a seed layer with Ti, TiW, or the like, a photoresist (PR) is applied, patterning is performed, and a Cu layer is formed through Cu plating. The thickness of the Cu layer is limited to about 150 μm.

이러한 종래의 세라믹 회로 기판을 제작하는 기술들은, 패턴 형성을 위하여 식각공정을 이용하기 때문에 패턴 형태에 제한이 있다는 한계가 있었다. These conventional techniques for manufacturing a ceramic circuit board have a limitation in that there is a limitation in the shape of the pattern because an etching process is used to form the pattern.

특히, 다양한 형태의 반도체 소자에 대응하기 위해서 패턴 간에 두께의 차이를 두거나, 패턴 위에 2차 패턴 및 3차 패턴을 형성하기가 어렵기 때문에 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판을 제작하기 어렵다는 문제가 있었다.In particular, in order to cope with various types of semiconductor devices, it is difficult to provide a difference in thickness between patterns or to form a secondary pattern and a tertiary pattern on the pattern, so it is difficult to manufacture a ceramic circuit board for a double-sided cooling type power module. there was.

종래의 세라믹 회로 기판에서는 패턴 간의 두께의 차이를 형성하기 어렵기 때문에, 패턴 중 일부에 스페이서를 배치하는 방법으로 단차를 형성하였다. 그러나 Mo-Cu 합금으로 이루지는 전도성 스페이서의 열전도도가 낮으며, 스페이서를 패턴 위에 실장하는 부가적인 공정이 필요하다는 문제점이 있었다.Since it is difficult to form a difference in thickness between patterns in a conventional ceramic circuit board, a step is formed by arranging spacers in some of the patterns. However, there is a problem in that the thermal conductivity of the conductive spacer made of the Mo-Cu alloy is low, and an additional process of mounting the spacer on the pattern is required.

한국등록특허 제0477866호Korean Patent No. 0477866 한국공개특허 제2014-0127228호Korean Patent Publication No. 2014-0127228 한국등록특허 제1393760호Korean Patent No. 1393760 한국공개특허 제2014-0095083호Korea Patent Publication No. 2014-0095083 한국공개특허 제2020-0069017호Korean Patent Publication No. 2020-0069017 한국등록특허 제1956996호Korean Patent No. 1956996

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 별도의 스페이서가 필요 없는 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a ceramic circuit board for a double-sided cooling type power module that does not require a separate spacer to solve the above problems.

또한, 이러한 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a ceramic circuit board for a double-sided cooling type power module.

또한, 별도의 스페이서가 필요 없는 양면 냉각형 파워 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a double-sided cooling power module that does not require a separate spacer.

상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판의 제조방법으로서, a) 제1면과 그 제1면에 나란한 제2면을 구비하는 세라믹 기판을 준비하는 단계와, b) 상기 제1면 위에 단차가 있는 3차원의 구리 패턴을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 b) 단계는, b-1) 상기 세라믹 기판의 제1면 위에 베이스 구리층을 형성하는 단계와, b-2) 상기 베이스 구리층 일부의 위에 구리 페이스트를 인쇄한 후 열처리하는 방법으로 적어도 하나의 구리층을 형성하여 상기 베이스 구리층으로부터 돌출된 제1단 구리 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for manufacturing a ceramic circuit board for a double-sided cooling type power module, comprising: a) preparing a ceramic substrate having a first surface and a second surface parallel to the first surface; , b) forming a three-dimensional copper pattern having a step difference on the first surface, wherein step b) includes: b-1) forming a base copper layer on the first surface of the ceramic substrate; , b-2) forming a first copper structure protruding from the base copper layer by forming at least one copper layer by printing a copper paste on a part of the base copper layer and then heat-treating it It provides a method of manufacturing a ceramic circuit board for a double-sided cooling type power module, characterized in that.

또한, 상기 b) 단계는, b-3) 상기 제1단 구리 구조 중 일부의 위에 구리 페이스트를 인쇄한 후 열처리하는 방법으로 적어도 하나의 구리층을 형성하여 상기 제1단 구리 구조 위에 제2단 구리 구조를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판의 제조방법을 제공한다.In addition, in step b), at least one copper layer is formed by a method of printing a copper paste on a portion of the first-stage copper structure and then heat-treating it to form a second stage on the first-stage copper structure. It provides a method of manufacturing a ceramic circuit board for a double-sided cooling type power module, characterized in that it further comprises the step of forming a copper structure.

또한, 상기 제1단 구리 구조와 제2단 구리 구조의 열팽창 계수는 10×10-6/℃ 이하인 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판의 제조방법을 제공한다. In addition, the thermal expansion coefficient of the first-stage copper structure and the second-stage copper structure provides a method of manufacturing a ceramic circuit board for a double-sided cooling type power module, characterized in that less than 10 × 10 -6 / ℃.

또한, 상기 제1단 구리 구조와 제2단 구리 구조의 표층 구리층은 표층 페이스트를 인쇄한 후 열처리하여 형성하며, 상기 표층 페이스트는 글라스 프릿을 포함하지 않으며, 산화구리(Cu2O) 입자들과 평균 입경이 1 내지 5㎛인 미세 구리 입자들을 5 내지 60중량% 포함하는 수축률이 10% 내지 15%인 구리 페이스트인 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판의 제조방법을 제공한다.In addition, the surface layer copper layer of the first-stage copper structure and the second-stage copper structure is formed by heat-treating the surface layer paste after printing, and the surface layer paste does not include a glass frit, and contains copper oxide (Cu 2 O) particles. It provides a method of manufacturing a ceramic circuit board for a double-sided cooling type power module, which is a copper paste having a shrinkage ratio of 10% to 15%, including 5 to 60% by weight of fine copper particles having an average particle diameter of 1 to 5㎛.

또한, 상기 b-1) 단계는, 상기 세라믹 기판의 제1면 위에 구리 포일을 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판의 제조방법을 제공한다.In addition, the step b-1) provides a method of manufacturing a ceramic circuit board for a double-sided cooling type power module, characterized in that it comprises the step of bonding a copper foil on the first surface of the ceramic substrate.

또한, 상기 b-1) 단계는, 상기 세라믹 기판의 제1면 위에 접합 페이스트를 인쇄한 후 열처리하여 접합 구리층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 접합 페이스트는 글라스 프릿(Glass Frit), 무기물 입자들, 산화구리 입자들 및 구리 입자들을 포함하는 수축률이 3% 이하인 페이스트인 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판의 제조방법을 제공한다.In addition, step b-1) includes printing a bonding paste on the first surface of the ceramic substrate and then heat-treating it to form a bonding copper layer, wherein the bonding paste includes glass frit and inorganic particles. It provides a method of manufacturing a ceramic circuit board for a double-sided cooling type power module, characterized in that the paste containing copper oxide particles and copper particles having a shrinkage ratio of 3% or less.

또한, 상기 b-1) 단계는, 상기 접합 구리층 위 또는 상기 접합 구리층 위에 형성된 중간층 위에 표층 페이스트를 인쇄한 후 열처리하여 표층 구리층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 표층 페이스트는 글라스 프릿을 포함하지 않으며, 산화구리(Cu2O) 입자들과 평균 입경이 1 내지 5㎛인 미세 구리 입자들을 5 내지 60중량% 포함하는 수축률이 10% 내지 15%인 구리 페이스트인 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판의 제조방법을 제공한다.In addition, the step b-1) includes the step of forming a surface copper layer by printing a surface paste on the bonded copper layer or on the intermediate layer formed on the bonded copper layer, and then heat-treating the surface layer paste to form a glass frit. For a double-sided cooling power module that does not contain copper oxide (Cu 2 O) particles and a copper paste having a shrinkage ratio of 10% to 15% containing 5 to 60% by weight of copper oxide (Cu 2 O) particles and fine copper particles having an average particle diameter of 1 to 5 μm A method of manufacturing a ceramic circuit board is provided.

또한, 본 발명은 제1면과 그 제1면과 나란한 제2면을 구비한 세라믹 기판과; 상기 제1면 위에 형성된 단차가 있는 3차원의 구리 패턴을 포함하며, 상기 3차원의 구리 패턴은, 상기 세라믹 기판의 제1면 위에 형성된 베이스 구리층과; 상기 베이스 구리층 일부의 위에 구리 페이스트를 인쇄한 후 열처리하는 방법으로 형성된 적어도 하나의 구리층으로 이루어지며, 상기 베이스 구리층으로부터 돌출된 제1단 구리 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판을 제공한다.In addition, the present invention provides a ceramic substrate having a first surface and a second surface parallel to the first surface; and a three-dimensional copper pattern having a step difference formed on the first surface, wherein the three-dimensional copper pattern includes: a base copper layer formed on the first surface of the ceramic substrate; Double-sided cooling type power comprising at least one copper layer formed by a method of heat-treating after printing copper paste on a part of the base copper layer, and comprising a first-stage copper structure protruding from the base copper layer A ceramic circuit board for a module is provided.

또한, 상기 제1단 구리 구조 일부의 위에 구리 페이스트를 인쇄한 후 열처리하는 방법으로 형성된 적어도 하나의 구리층으로 이루어진 제2단 구리 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판을 제공한다.In addition, the ceramic circuit for double-sided cooling power module, characterized in that it further comprises a second-stage copper structure comprising at least one copper layer formed by a method of heat-treating after printing copper paste on a part of the first-stage copper structure. A substrate is provided.

또한, 본 발명은 제1면과 그 제1면과 나란한 제2면을 구비한 제1 세라믹 기판과, 상기 제1 세라믹 기판의 제1면 위에 형성된 단차가 있는 3차원의 제1 구리 패턴을 포함하는 제1 세라믹 회로 기판과; 상기 제1면과 일정한 거리를 두고 마주보는 제3면과 그 제3면과 나란한 제4면을 구비한 제2 세라믹 기판과, 상기 제2 세라믹 기판의 제3면 위에 형성된 단차가 있는 3차원의 제2 구리 패턴을 포함하는 제2 세라믹 회로 기판과; 상기 3차원의 제1 구리 패턴과 상기 3차원의 제2 구리 패턴 사이에 배치되어, 일면은 상기 3차원의 제1 구리 패턴의 표면과 접합되고, 다른 면은 상기 3차원의 제2 구리 패턴의 표면과 접합되는 적어도 하나의 파워 소자를 포함하며, 상기 3차원의 제1 구리 패턴은, 상기 제1 세라믹 기판의 제1면 위에 형성된 베이스 구리층과; 상기 베이스 구리층 일부의 위에 구리 페이스트를 인쇄한 후 열처리하는 방법으로 형성된 적어도 하나의 구리층으로 이루어지며, 상기 베이스 구리층으로부터 돌출된 제1단 구리 구조를 포함하는 양면 냉각형 파워 모듈을 제공한다. In addition, the present invention includes a first ceramic substrate having a first surface and a second surface parallel to the first surface, and a three-dimensional first copper pattern having a step formed on the first surface of the first ceramic substrate. a first ceramic circuit board to; A second ceramic substrate having a third surface facing the first surface at a predetermined distance and a fourth surface parallel to the third surface, and a three-dimensional step formed on the third surface of the second ceramic substrate a second ceramic circuit board including a second copper pattern; It is disposed between the three-dimensional first copper pattern and the three-dimensional second copper pattern, and one surface is bonded to the surface of the three-dimensional first copper pattern, and the other surface is the three-dimensional second copper pattern. at least one power element bonded to a surface thereof, wherein the three-dimensional first copper pattern includes: a base copper layer formed on a first surface of the first ceramic substrate; Provided is a double-sided cooling type power module comprising at least one copper layer formed by a method of heat-treating after printing copper paste on a portion of the base copper layer, and including a first-stage copper structure protruding from the base copper layer .

또한, 상기 제1단 구리 구조 일부의 위에 구리 페이스트를 인쇄한 후 열처리하는 방법으로 형성된 적어도 하나의 구리층으로 이루어진 제2단 구리 구조를 더 포함하는 양면 냉각형 파워 모듈을 제공한다.In addition, there is provided a double-sided cooling type power module further comprising a second-stage copper structure comprising at least one copper layer formed by a method of heat-treating a portion of the first-stage copper structure after printing copper paste.

본 발명에 따른 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판의 제조방법은 기판 위에 실장되는 다양한 형태의 반도체 소자에 대응 가능하도록 세라믹 기판 위에 입체적인 패턴을 형성할 수 있다는 장점이 있다.The method of manufacturing a ceramic circuit board for a double-sided cooling type power module according to the present invention has an advantage in that a three-dimensional pattern can be formed on the ceramic substrate to be able to respond to various types of semiconductor devices mounted on the substrate.

본 발명에 따른 양면 냉각형 파워 모듈은 열전도도가 낮은 스페이서를 사용하지 않으므로, 방열성능이 향상된다.Since the double-sided cooling power module according to the present invention does not use a spacer having low thermal conductivity, heat dissipation performance is improved.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈의 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 세라믹 회로 기판과 제2 세라믹 회로 기판의 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 베이스 구리층을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 제1 세라믹 회로 기판의 일부를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 회로 기판의 제조방법의 흐름도이다.
도 6은 도 5의 구리 패턴 형성 단계의 흐름도이다.1 is a conceptual diagram of a double-sided cooling type power module according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of the first ceramic circuit board and the second ceramic circuit board shown in FIG. 1 .
FIG. 3 is a view showing the base copper layer shown in FIG. 1 .
FIG. 4 is a view showing a part of the first ceramic circuit board shown in FIG. 1 .
5 is a flowchart of a method of manufacturing a ceramic circuit board according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart of a copper pattern forming step of FIG. 5 .

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, only this embodiment allows the disclosure of the present invention to be complete, and the scope of the invention to those of ordinary skill in the art completely It is provided to inform you.

본 명세서에서 다른 층 "위에" 형성된 층은 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 다른 층 상에 형성된 중간층 또는 중간층들 위에 형성된 층을 지칭할 수도 있다.A layer formed “on” another layer herein refers to a layer formed directly on the other layer, or may refer to an intermediate layer formed on another layer or a layer formed over intermediate layers.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈의 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 양면 냉각형 파워 모듈(100)은 적어도 하나의 파워 소자(30), 제1 세라믹 회로 기판(10), 제2 세라믹 회로 기판(20), 접합 층(40) 및 몰드(50)를 포함한다.1 is a conceptual diagram of a double-sided cooling type power module according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1 , the double-sided cooling power module 100 according to an embodiment of the present invention includes at least one power element 30 , a first ceramic circuit board 10 , and a second ceramic circuit board 20 . ), the bonding layer 40 and the mold 50 .

파워 소자(30)는, 예를 들어, GTO(gate turn-offthyristor) 반도체 소자나 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor) 반도체 소자 등일 수 있다. 파워 소자(30)는 배터리 등의 전원 공급부로부터 공급되는 전원을 스위칭 동작을 통해 모터를 구동하기 위한 전원으로 변환하여 공급하는 동작을 수행할 수 있다.The power device 30 may be, for example, a gate turn-off thyristor (GTO) semiconductor device or an insulated gate bipolar mode transistor (IGBT) semiconductor device. The power device 30 may perform an operation of converting power supplied from a power supply unit such as a battery into power for driving a motor through a switching operation and supplying the power.

자세히 도시하지 않았으나, 파워 소자(30)는 반도체 층과 반도체 층의 위와 아래에 각각 형성되는 전극들을 포함한다.Although not shown in detail, the power device 30 includes a semiconductor layer and electrodes respectively formed above and below the semiconductor layer.

제1 세라믹 회로기판(10)과 제2 세라믹 회로기판(20)은 파워 소자(30)에서 발생하는 열을 방열판(미도시)에 전달하는 역할을 한다.The first ceramic circuit board 10 and the second ceramic circuit board 20 serve to transfer heat generated from the power device 30 to a heat sink (not shown).

제1 세라믹 회로기판(10)은 제1 세라믹 기판(11), 제1 구리 패턴(12) 및 제1 휨 방지 패턴(13)을 포함한다.The first ceramic circuit board 10 includes a first ceramic substrate 11 , a first copper pattern 12 , and a first warpage prevention pattern 13 .

제1 세라믹 기판(11)은 제1면(111)과 이 제1면(111)과 나란한 제2면(112)을 구비한다. 제1 세라믹 기판(11)은 열전도성이 우수하고, 전기 절연성이 뛰어나야 한다. 제1 세라믹 기판(11)은, 예를 들어, Al2O3, AlN, ZTA, Si3N4 등의 세라믹 재질로 이루어진 기판일 수 있다.The first ceramic substrate 11 includes a first surface 111 and a second surface 112 parallel to the first surface 111 . The first ceramic substrate 11 should have excellent thermal conductivity and excellent electrical insulation. The first ceramic substrate 11 may be formed of, for example, Al 2 O 3 , AlN, ZTA, Si 3 N 4 , or the like. The substrate may be made of a ceramic material.

제1 구리 패턴(12)은 제1 세라믹 기판(11)의 제1면(111) 위에 위치별로 높이가 다르게 3차원으로 형성된다. 즉, 제1 구리 패턴(12)은 실장되는 파워 소자(30)의 전극 등의 형태에 대응하는 2차원 패턴을 가지며, 파워 소자(30)들의 두께 차이에 따라 위치별로 높이도 달리할 수 있다. 제1 구리 패턴(12)은 고전류가 흐를 수 있어야 한다.The first copper pattern 12 is formed on the first surface 111 of the first ceramic substrate 11 in three dimensions with different heights for each location. That is, the first copper pattern 12 has a two-dimensional pattern corresponding to the shape of the electrode of the mounted power element 30 , and the height of the first copper pattern 12 may be different for each location according to a thickness difference between the power elements 30 . The first copper pattern 12 should allow a high current to flow.

제1 구리 패턴(12)은 제1 세라믹 기판(11)의 제1면(111) 위에 형성되는 베이스 구리층(121)과 베이스 구리층(121) 위에 형성되는 제1단 구리 구조(122)와, 제1단 구리 구조(122) 위에 형성되는 제2단 구리 구조(123)를 구비한다. 제1단 구리 구조(122)는 베이스 구리층(121) 전체가 아닌 일부의 위에 형성되며, 제2단 구리 구조(123)는 제1단 구리 구조(122) 일부의 위에 형성된다. 본 실시예에서는 면적이 더 작은 직사각형 단면을 가지는 제1단 구리 구조(122) 위에만 제2단 구리 구조(123)가 형성된다.The first copper pattern 12 includes a base copper layer 121 formed on the first surface 111 of the first ceramic substrate 11 and a first copper structure 122 formed on the base copper layer 121 , , a second-stage copper structure 123 formed on the first-stage copper structure 122 . The first-stage copper structure 122 is formed on a portion of the base copper layer 121 rather than the entirety, and the second-stage copper structure 123 is formed on a portion of the first-stage copper structure 122 . In this embodiment, the second-stage copper structure 123 is formed only on the first-stage copper structure 122 having a smaller rectangular cross-section.

베이스 구리층(121)은 제1 세라믹 기판(11)의 제1면(111) 위에 고온 산화 공정으로 구리 호일을 접착하고, 접착된 구리 호일을 패터닝하여 형성할 수 있다. 제1 세라믹 기판(11)과 구리 호일을 접착하기 위해서는 구리-산소(copper-oxygen) 공정 액상(eutectic)을 이용한다. 접합은 구리의 융점인 1083℃ 이하의 온도에서, 약 30ppm의 산소를 포함하는 질소분위기에서 수행될 수 있다.The base copper layer 121 may be formed by bonding a copper foil to the first surface 111 of the first ceramic substrate 11 using a high-temperature oxidation process and patterning the bonded copper foil. In order to bond the first ceramic substrate 11 and the copper foil, a copper-oxygen process eutectic is used. The bonding may be performed in a nitrogen atmosphere containing about 30 ppm oxygen at a temperature of 1083° C. or less, which is the melting point of copper.

베이스 구리층(121)은, 또한, 구리 페이스트를 제1 세라믹 기판(11)의 제1면 (111)위에 인쇄한 후 건조 소결하여 형성할 수도 있다. 복수의 구리 페이스트를 이용하여 복수의 구리층을 형성하여 베이스 구리층(121)을 형성할 수도 있다.The base copper layer 121 may also be formed by printing copper paste on the first surface 111 of the first ceramic substrate 11 and then drying and sintering. The base copper layer 121 may be formed by forming a plurality of copper layers using a plurality of copper pastes.

예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 베이스 구리층(121)은 접합 구리층(121a), 적층 구리층(121b), 표층 구리층(121c)을 포함할 수 있다.For example, as shown in FIG. 3 , the base copper layer 121 may include a bonded copper layer 121a, a laminated copper layer 121b, and a surface copper layer 121c.

접합 구리층(121a)은 접합 페이스트를 스크린 프린팅 방법으로 인쇄한 후 열처리하는 방법으로 형성할 수 있다.The bonding copper layer 121a may be formed by printing a bonding paste using a screen printing method and then heat-treating the bonding paste.

접합 페이스트는 글라스 프릿(Glass Frit), 무기물 입자들, 산화구리 입자들, 구리 입자들, 용제 및 바인더를 포함한다. 글라스 프릿은 구리(Cu) 입자들의 소결을 돕는 소결조제인 동시에, 접합 구리층(121a)과 제1 세라믹 기판(10)을 접합하는 역할을 한다.The bonding paste includes glass frit, inorganic particles, copper oxide particles, copper particles, a solvent and a binder. The glass frit is a sintering aid that helps sinter the copper (Cu) particles, and serves to bond the bonded copper layer 121a to the first ceramic substrate 10 .

무기물 입자들은 Al2O3, CaO, ZrO2 분말들 중 선택된 적어도 하나의 분말을 포함할 수 있다. 무기물 입자들은 접합 페이스트의 수축률을 낮추기 위해서 사용된다. 본 발명에서 페이스트의 수축률은 페이스트를 디스크 형태로 인쇄한 후 건조 및 소결하고, 건조 후와 소결 후의 디스크의 지름을 비교하는 방법으로 측정한다. 접합 페이스트의 수축률은 3% 이하인 것이 바람직하다.The inorganic particles may include at least one powder selected from Al 2 O 3 , CaO, and ZrO 2 powders. Inorganic particles are used to lower the shrinkage of the bonding paste. In the present invention, the shrinkage rate of the paste is measured by printing the paste in the form of a disk, drying and sintering, and comparing the diameter of the disk after drying and sintering. The shrinkage rate of the bonding paste is preferably 3% or less.

산화구리(CuO, Cu2O) 입자들은 제1 세라믹 기판(10)과의 접합 특성을 보완하기 위해서 첨가된다. 예를 들어, 제1 세라믹 기판(10)으로 알루미나(Al2O3) 기판을 사용할 경우 산화구리가 알루미나와 반응하여 CuAlO2, CuAl2O4를 형성함으로써 접합 특성이 향상될 수 있다.Copper oxide (CuO, Cu 2 O) particles are added to supplement bonding properties with the first ceramic substrate 10 . For example, when an alumina (Al 2 O 3 ) substrate is used as the first ceramic substrate 10 , copper oxide reacts with alumina to form CuAlO 2 , CuAl 2 O 4 , thereby improving bonding properties.

인쇄 후 접합 페이스트 층을 건조하여, 용제를 제거한다. 그리고 건조된 접합 페이스트 층을 압착하여, 접합 페이스트 층의 높이 차이를 줄인다. 압착된 접합 페이스트 층이 형성된 제1 세라믹 기판(10)을 열처리하여 접합 페이스트 층을 소결함으로써 접합 구리층(121a)을 형성한다.After printing, the bonding paste layer is dried to remove the solvent. Then, the dried bonding paste layer is compressed to reduce the height difference between the bonding paste layers. The bonding copper layer 121a is formed by sintering the bonding paste layer by heat-treating the first ceramic substrate 10 on which the pressed bonding paste layer is formed.

적층 구리층(121b)은 접합 구리층(121a) 위에 적층 페이스트를 인쇄한 후 건조, 압착 및 소결하여 형성한다. 적층 구리층(121b)은 베이스 구리층(121)의 두께를 증가시키는 역할을 한다.The laminated copper layer 121b is formed by printing a laminated paste on the bonding copper layer 121a, followed by drying, pressing, and sintering. The multilayer copper layer 121b serves to increase the thickness of the base copper layer 121 .

적층 페이스트는 무기물 입자들, 구리 입자들, 용제 및 바인더를 포함한다. 무기물 입자들은 Al2O3, CaO, ZrO2 입자들 중 선택된 적어도 하나의 입자들을 포함할 수 있다. 무기물 입자들은 접합 페이스트의 수축률을 낮추기 위해서 사용된다. 적층 페이스트는 접합 페이스트와 달리 글라스 프릿을 포함하지 않는다. 적층 페이스트는 접합 페이스트에 비해서 수축률이 높다. 적층 페이스트의 수축률은 3% 내지 9%인 것이 바람직하다.The lamination paste contains inorganic particles, copper particles, a solvent and a binder. The inorganic particles may include at least one selected from among Al 2 O 3 , CaO, and ZrO 2 particles. Inorganic particles are used to lower the shrinkage of the bonding paste. Lamination paste does not contain glass frit unlike bonding paste. Lamination pastes have a higher shrinkage rate than bonding pastes. It is preferable that the shrinkage ratio of the lamination paste is 3% to 9%.

300㎛ 이상의 두꺼운 베이스 구리층(121)이 요구되는 경우에는 적층 구리층(121b)을 형성하는 단계를 복수 회 실시하거나, 인쇄, 건조, 압착 과정만을 복수 회 실시할 수도 있다.When the thick base copper layer 121 of 300 μm or more is required, the step of forming the laminated copper layer 121b may be performed multiple times, or only the printing, drying, and pressing processes may be performed multiple times.

표층 구리층(121c)은 적층 구리층(121b) 위에 표층 페이스트를 인쇄한 후 건조, 압착 및 소결하여 형성한다. 표층 구리층(121c)은 치밀한 표면을 제공하는 역할을 한다.The surface copper layer 121c is formed by printing the surface paste on the laminated copper layer 121b, drying, pressing, and sintering. The surface copper layer 121c serves to provide a dense surface.

표층 페이스트는 글라스 프릿을 포함하지 않으며, 산화구리(Cu2O) 입자들, 구리 입자들, 용제 및 바인더를 포함한다. 구리 입자들은 평균 입경이 1 내지 5㎛ 미세 구리 입자들을 포함한다. 미세 구리 입자들은 표층 페이스트에 5 내지 60중량% 포함된다. 미세 구리 입자들은 제3 구리층(23)의 밀도를 높이는 역할을 한다. 산화구리(Cu2O) 입자들은 소결 과정에서 공정 액상을 형성할 수 있다. 표층 페이스트는 수축률은 10% 내지 15%인 것이 바람직하다.The surface layer paste does not include a glass frit, but includes copper oxide (Cu 2 O) particles, copper particles, a solvent, and a binder. The copper particles include fine copper particles having an average particle diameter of 1 to 5 μm. The fine copper particles are contained in an amount of 5 to 60% by weight in the surface layer paste. The fine copper particles serve to increase the density of the third copper layer 23 . Copper oxide (Cu 2 O) particles may form a process liquid phase during the sintering process. The surface layer paste preferably has a shrinkage ratio of 10% to 15%.

또한, 베이스 구리층(121)이 두꺼울 필요가 없는 경우에는 베이스 구리층(121)은 접합 구리층(121a)과 표층 구리층(121c)만으로 이루어질 수도 있다. 또한, 파워 소자(30) 등이 베이스 구리층(121)과 접합되지 않는 경우에는 표층 구리층(121c)을 형성하지 않을 수도 있다.In addition, when the base copper layer 121 does not need to be thick, the base copper layer 121 may be formed of only the bonded copper layer 121a and the surface copper layer 121c. In addition, when the power element 30 or the like is not bonded to the base copper layer 121 , the surface copper layer 121c may not be formed.

제1단 구리 구조(122)와 제2단 구리 구조(123)는 구리 페이스트 인쇄 공법으로 형성된다. 제1단 구리 구조(122)와 제2단 구리 구조(123)는 복수의 구리층으로 이루어질 수 있다. 제1단 구리 구조(122)와 제2단 구리 구조(123)의 열팽창 계수는 10×10-6/℃ 이하인 것이 바람직하다. 파워 소자(30)와의 열팽창 계수 차이를 줄이기 위함이다.The first-stage copper structure 122 and the second-stage copper structure 123 are formed by a copper paste printing method. The first-stage copper structure 122 and the second-stage copper structure 123 may include a plurality of copper layers. The coefficient of thermal expansion of the first-stage copper structure 122 and the second-stage copper structure 123 is preferably 10×10 -6 /°C or less. This is to reduce the difference in the coefficient of thermal expansion with the power element 30 .

도 4에 도시된 바와 같이, 제1단 구리 구조(122)는 접합 구리층(122a), 적층 구리층(122b), 표층 구리층(122c)을 포함할 수 있다. 표층 구리층(122c)은 포함되는 것이 바람직하다. 베이스 구리층(121)으로 구리 호일을 사용한 경우에는 접합 구리층(122a)도 포함되는 것이 바람직하다. 제1단 구리 구조(122)의 두께는 적층 구리층(122b)의 층수로 조절할 수 있다.As shown in FIG. 4 , the first copper structure 122 may include a junction copper layer 122a, a laminated copper layer 122b, and a surface copper layer 122c. The surface copper layer 122c is preferably included. When copper foil is used as the base copper layer 121 , it is preferable that the bonded copper layer 122a is also included. The thickness of the first-stage copper structure 122 may be controlled by the number of layers of the multilayer copper layer 122b.

접합 구리층(122a), 적층 구리층(122b), 표층 구리층(122c)은 베이스 구리층(121)의 접합 구리층(121a), 적층 구리층(121b), 표층 구리층(121c)을 형성하는데 사용된 접합 페이스트, 적층 페이스트, 표층 페이스트와 동일한 조성의 페이스트를 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 열팽창 계수나, 수축률을 제어하기 위해서 무기물 입자나 구리 입자의 함량이 정해진 범위 내에서 일부 조절된 접합 페이스트, 적층 페이스트, 표층 페이스트를 사용하여 형성할 수도 있다.The bonded copper layer 122a, the laminated copper layer 122b, and the surface copper layer 122c form the bonded copper layer 121a, the laminated copper layer 121b, and the surface copper layer 121c of the base copper layer 121 . It can be formed by using a paste having the same composition as the bonding paste, lamination paste, and surface layer paste used for the purpose. In addition, in order to control the coefficient of thermal expansion or shrinkage, the bonding paste, lamination paste, or surface layer paste may be used in which the content of inorganic particles or copper particles is partially controlled within a predetermined range.

도 4에 도시된 바와 같이, 제2단 구리 구조(123)는 접합 구리층(123a), 적층 구리층(123b), 표층 구리층(123c)을 포함할 수 있다. 표층 구리층(123c)은 포함되는 것이 바람직하다. 제2단 구리 구조의 두께는 적층 구리층(123c)의 층수로 조절할 수 있다. 접합 구리층(123a)은 생략될 수 있다. 접합 구리층(123a), 적층 구리층(123b), 표층 구리층(123c)은 베이스 구리층(121)의 접합 구리층(121a), 적층 구리층(121b), 표층 구리층(121c)을 형성하는데 사용된 접합 페이스트, 적층 페이스트, 표층 페이스트와 동일한 조성의 페이스트를 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 열팽창 계수나, 수축률을 제어하기 위해서 무기물 입자나 구리 입자의 함량이 정해진 범위 내에서 일부 조절된 접합 페이스트, 적층 페이스트, 표층 페이스트를 사용하여 형성할 수도 있다.As shown in FIG. 4 , the second-stage copper structure 123 may include a junction copper layer 123a , a multilayer copper layer 123b , and a surface copper layer 123c . The surface copper layer 123c is preferably included. The thickness of the second copper structure may be controlled by the number of layers of the multilayer copper layer 123c. The junction copper layer 123a may be omitted. The bonded copper layer 123a, the laminated copper layer 123b, and the surface copper layer 123c form the bonded copper layer 121a, the laminated copper layer 121b, and the surface copper layer 121c of the base copper layer 121 . It can be formed by using a paste having the same composition as the bonding paste, lamination paste, and surface layer paste used for the purpose. In addition, in order to control the coefficient of thermal expansion or shrinkage, the bonding paste, lamination paste, or surface layer paste may be used in which the content of inorganic particles or copper particles is partially controlled within a predetermined range.

다시, 도 1을 참고하면, 제1 휨 방지 패턴(13)은 제1 세라믹 기판(11)의 제2면(112)에 형성된다. 제1 휨 방지 패턴(13)에는 방열판이 접합될 수 있다. 제1 휨 방지 패턴(13)은 제1 구리 패턴(12)의 형성하는 소결 과정에서 제1 세라믹 기판(11)이 휘는 것을 방지하는 역할을 한다.Again, referring to FIG. 1 , the first bending prevention pattern 13 is formed on the second surface 112 of the first ceramic substrate 11 . A heat sink may be bonded to the first bending prevention pattern 13 . The first bending preventing pattern 13 serves to prevent the first ceramic substrate 11 from being bent during the sintering process of forming the first copper pattern 12 .

제2 세라믹 회로기판(20)은 제2 세라믹 기판(21)과, 제2 구리 패턴(22) 및 제2 휨 방지 패턴(23)을 포함한다.The second ceramic circuit board 20 includes a second ceramic substrate 21 , a second copper pattern 22 , and a second warpage prevention pattern 23 .

제2 세라믹 기판(21)은 제1면(111)과 일정한 거리를 두고 마주보는 제3면(211)과 이 제3면(211)과 나란한 제4면(212)을 구비한다.The second ceramic substrate 21 includes a third surface 211 facing the first surface 111 at a predetermined distance and a fourth surface 212 parallel to the third surface 211 .

제2 구리 패턴(22)은 제2 세라믹 기판(20)의 제3면(211) 위에 위치별로 높이가 다르게 3차원으로 형성된다. 제2 휨 방지 패턴(23)은 제2 세라믹 기판(21)의 제4면(212)에 형성된다. 제2 휨 방지 패턴(23)에는 방열판이 접합될 수 있다.The second copper pattern 22 is formed on the third surface 211 of the second ceramic substrate 20 in three dimensions with different heights for each location. The second bending prevention pattern 23 is formed on the fourth surface 212 of the second ceramic substrate 21 . A heat sink may be bonded to the second bending prevention pattern 23 .

제2 세라믹 회로기판(20)은 제1 세라믹 회로기판(10)과 일부 형태에 차이가 있으나, 실질적으로 구성이 동일하므로 자세한 설명은 생략한다. The second ceramic circuit board 20 is different from the first ceramic circuit board 10 in some shapes, but has substantially the same configuration, and thus a detailed description thereof will be omitted.

본 발명은 위치별로 높이가 다르게 형성된 제1 구리 패턴(12)과 제2 구리 패턴(22)을 이용하여 서로 다른 두께의 파워 소자(30)들을 이용하여 파워 모듈을 제조할 때 파워 소자(30)들 간의 두께 편차에 따른 단차를 보정할 수 있다.The present invention provides a power device (30) when manufacturing a power module using power devices (30) having different thicknesses using a first copper pattern (12) and a second copper pattern (22) having different heights for each location. It is possible to correct the step difference due to the thickness deviation between the two.

파워 소자(30)는 제1 구리 패턴(12)과 제2 구리 패턴(22) 사이에 배치된다. 파워 소자(30)의 일면은 제1 구리 패턴(12)의 표면과 접합되고, 다른 면은 제2 구리 패턴(22)의 표면과 접합된다.The power element 30 is disposed between the first copper pattern 12 and the second copper pattern 22 . One surface of the power element 30 is bonded to the surface of the first copper pattern 12 , and the other surface is bonded to the surface of the second copper pattern 22 .

도 1에 도시된 바와 같이, 두꺼운 좌측 파워 소자(30)는 제1 구리 패턴(10)의 제1단 구리 구조(122)와 제2 구리 패턴(20)의 제1단 구리 구조(222)와 접합된다. 그리고 얇은 우측 파워 소자(30)는 제1 구리 패턴(10)의 제2단 구리 구조(123)와 제2 구리 패턴(20)의 제2단 구리 구조(223)와 접합된다.As shown in FIG. 1 , the thick left power device 30 includes the first copper structure 122 of the first copper pattern 10 and the first copper structure 222 of the second copper pattern 20 , and are joined In addition, the thin right power device 30 is bonded to the second-stage copper structure 123 of the first copper pattern 10 and the second-stage copper structure 223 of the second copper pattern 20 .

파워 소자(30)는 접합 층(40)을 통해서 제1 구리 패턴(12) 및 제2 구리 패턴(22)과 접합된다. 접합 층(40)은 솔더 층일 수 있다.The power device 30 is bonded to the first copper pattern 12 and the second copper pattern 22 through the bonding layer 40 . The bonding layer 40 may be a solder layer.

몰드(50)는 제1 세라믹 회로 기판(10)과 제2 세라믹 회로 기판(20) 사이의 절연을 위해 제1 세라믹 회로 기판(10)과 제2 세라믹 회로 기판(20) 사이에 채워진다.The mold 50 is filled between the first ceramic circuit board 10 and the second ceramic circuit board 20 for insulation between the first ceramic circuit board 10 and the second ceramic circuit board 20 .

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 회로 기판의 제조방법의 흐름도이다. 이하에서는 도 5를 참고하여, 도 1에 도시된 제1 세라믹 회로 기판(10)의 제조방법을 간단히 설명한다.5 is a flowchart of a method of manufacturing a ceramic circuit board according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a method of manufacturing the first ceramic circuit board 10 shown in FIG. 1 will be briefly described with reference to FIG. 5 .

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 회로 기판의 제조방법은 제1면과 제1면에 나란한 제2면을 구비하는 세라믹 기판을 준비하는 단계(S1)와, 제1면 위에 단차가 있는 3차원의 구리 패턴을 형성하는 단계(S2)와, 제2면 위에 휨 방지 패턴을 형성하는 단계(S3)를 포함한다.5, the method of manufacturing a ceramic circuit board according to an embodiment of the present invention includes the steps of preparing a ceramic substrate having a first surface and a second surface parallel to the first surface (S1); It includes a step (S2) of forming a three-dimensional copper pattern having a step difference on one surface, and a step (S3) of forming a warpage prevention pattern on a second surface.

먼저, 세라믹 기판(11)을 준비하는 단계(S1)에 대해서 설명한다.First, the step S1 of preparing the ceramic substrate 11 will be described.

세라믹 기판(11)은, 상술한 바와 같이, Al2O3, AlN, ZTA(Zirconia Toughened Alumina), Si3N4 등의 세라믹 재질로 이루어진 기판일 수 있다. 세라믹 기판(11)은 제1면(111)과 제1면(111)에 나란한 제2면(112)을 구비한다.As described above, the ceramic substrate 11 is made of Al 2 O 3 , AlN, Zirconia Toughened Alumina (ZTA), Si 3 N 4 , or the like. The substrate may be made of a ceramic material. The ceramic substrate 11 includes a first surface 111 and a second surface 112 parallel to the first surface 111 .

다음, 도 6을 참고하여, 제1면(111) 위에 단차가 있는 3차원의 구리 패턴(12)을 형성하는 단계(S2)를 설명한다.Next, the step S2 of forming the three-dimensional copper pattern 12 having a step difference on the first surface 111 will be described with reference to FIG. 6 .

본 단계는 세라믹 기판(11)의 제1면(111) 위에 베이스 구리층(121)을 형성하는 단계(S21)와, 베이스 구리층(121) 일부의 위에 제1단 구리 구조(122)를 형성하는 단계(S22)와, 제1단 구리 구조(122) 중 일부의 위에 제2단 구리 구조(123)를 형성하는 단계(S23)를 포함한다.In this step, the base copper layer 121 is formed on the first surface 111 of the ceramic substrate 11 ( S21 ), and the first copper structure 122 is formed on a part of the base copper layer 121 . and a step (S23) of forming a second-stage copper structure 123 on a portion of the first-stage copper structure 122 (S23).

베이스 구리층(121)을 형성하는 단계는 고온 산화 공정을 통해서 구리 호일을 제1면(111) 위에 부착한 후 부착된 구리 호일을 패터닝하는 방법으로 형성할 수 있다.The forming of the base copper layer 121 may be performed by attaching a copper foil to the first surface 111 through a high-temperature oxidation process and then patterning the attached copper foil.

또한, 본 단계는 아래와 같은 페이스트 인쇄 방법으로 형성할 수도 있다.In addition, this step may be formed by the following paste printing method.

먼저, 구리 페이스트를 스크린 프린팅 방법으로 인쇄한 후 건조하여, 용제를 제거한다. First, the copper paste is printed by screen printing and then dried to remove the solvent.

다음으로, 건조된 구리 페이스트 층을 압착하여, 구리 페이스트 층의 높이 차이를 줄인다. Next, the dried copper paste layer is compressed to reduce the height difference between the copper paste layers.

다음으로, 압착된 구리 페이스트 층이 형성된 세라믹 기판(11)을 열처리하여 구리 페이스트 층을 소결한다. 열처리 프로파일은, 바인더를 제거하기 위해서 질소 분위기에 수증기나 산소를 소량 공급하는 베이크 아웃(bake out) 단계와, 구리(Cu) 입자들을 액상 소결하는 단계와, 냉각하는 단계를 포함한다.Next, the ceramic substrate 11 on which the pressed copper paste layer is formed is heat-treated to sinter the copper paste layer. The heat treatment profile includes a bake out step of supplying a small amount of water vapor or oxygen to a nitrogen atmosphere to remove the binder, liquid phase sintering of copper (Cu) particles, and cooling.

구리(Cu) 입자들을 액상 소결하는 단계는 구리(Cu)의 산화를 방지하기 위해서, 질소분위기에서 진행하는 것이 바람직하다.The liquid phase sintering of copper (Cu) particles is preferably performed in a nitrogen atmosphere in order to prevent oxidation of copper (Cu).

전체 소결에 소요되는 시간은 대략 50 내지 90분 정도이며, 머플 타입 열처리로와 같은 연속식 열처리로에서 진행되거나 박스 오븐과 같은 배치 타입 열처리로에서 진행될 수 있다.The total sintering time is about 50 to 90 minutes, and may be performed in a continuous heat treatment furnace such as a muffle type heat treatment furnace or a batch type heat treatment furnace such as a box oven.

베이스 구리층(121)을 조성이 다른 여러 구리층들로 형성하는 경우에는 구리 페이스트 별로 위 단계를 반복한다. 구리 페이스트로는 상술한 접합 페이스트, 적층 페이스트, 표층 페이스트를 사용할 수 있다.When the base copper layer 121 is formed of several copper layers having different compositions, the above steps are repeated for each copper paste. The above-described bonding paste, lamination paste, and surface layer paste may be used as the copper paste.

다음으로, 제2면(112) 위에 휨 방지 패턴(13)을 형성하는 단계(S3)를 설명한다.Next, a step (S3) of forming the bending prevention pattern 13 on the second surface 112 will be described.

휨 방지 패턴(13)은 단순한 직사각형 단면의 패턴이라는 점에서 구리 패턴(12)과 차이가 있다. 휨 방지 패턴(13)은 구리 패턴(12)과 함께 단계별로 형성된다.The anti-warpage pattern 13 is different from the copper pattern 12 in that it is a simple rectangular cross-section pattern. The warpage prevention pattern 13 is formed step by step together with the copper pattern 12 .

즉, 베이스 구리층(121)을 형성하는 단계에서는 대응하는 휨 방지 패턴 층이 동일한 방법으로 제2면(112) 위에 형성된다. 베이스 구리층(121)을 페이스트 인쇄 공법으로 형성하는 경우에는 세라믹 기판(11)의 양면(111, 112)에 페이스트를 인쇄하고, 건조 및 압착한 후 한꺼번에 소결하여, 베이스 구리층(121)과 대응하는 휨 방지 패턴 층을 한 번에 형성한다. 베이스 구리층(121)이 여러 층으로 이루어질 경우에는 대응하는 휨 방지 패턴 층도 여러 층으로 이루어진다.That is, in the step of forming the base copper layer 121 , a corresponding anti-warpage pattern layer is formed on the second surface 112 in the same manner. When the base copper layer 121 is formed by the paste printing method, the paste is printed on both sides 111 and 112 of the ceramic substrate 11, dried and compressed, and then sintered at once to correspond to the base copper layer 121 to form a warpage prevention pattern layer at once. When the base copper layer 121 is formed of several layers, the corresponding anti-warpage pattern layer is also formed of several layers.

이때, 베이스 구리층(121) 대응하는 휨 방지 패턴 층의 부피와 베이스 구리층(121)의 부피의 비가 0.9 내지 1.1이 되도록 휨 방지 패턴 층의 두께가 조절된다. 소결 과정에서 세라믹 기판(11)이 한쪽으로 휘는 것을 방지하기 위함이다. 베이스 구리층(121)과 대응하는 휨 방지 패턴 층이 복수의 서브 구리층들로 이루어지는 경우에는 베이스 구리층(121)의 서브 구리층과 이에 대응하는 휨 방지 패턴 층의 서브 구리층의 부피의 비가 각각 0.9 내지 1.1이 되도록 각각의 휨 방지 패턴 층의 서브 구리층들의 두께가 조절되는 것이 바람직하다.At this time, the thickness of the anti-warpage pattern layer is adjusted so that the ratio of the volume of the base copper layer 121 to the volume of the base copper layer 121 is 0.9 to 1.1. This is to prevent the ceramic substrate 11 from being bent to one side during the sintering process. When the base copper layer 121 and the corresponding anti-warpage pattern layer include a plurality of sub-copper layers, the ratio of the volume of the sub-copper layer of the base copper layer 121 to the sub-copper layer of the corresponding anti-warpage pattern layer is It is preferable that the thickness of the sub-copper layers of each anti-warpage pattern layer is adjusted to be 0.9 to 1.1, respectively.

제1단 구리 구조(122)를 형성하는 단계와 제2단 구리 구조(123)를 형성하는 단계에서도 대응하는 휨 방지 패턴 층들이 페이스트 인쇄 방법으로 형성된다. 이때에도, 휨 방지 패턴의 부피와 구리 구조의 부피의 비가 0.9 내지 1.1이 되도록 휨 방지 패턴의 두께가 조절된다.In the steps of forming the first-stage copper structure 122 and forming the second-stage copper structure 123 , corresponding warpage-preventing pattern layers are formed by a paste printing method. Even at this time, the thickness of the anti-warpage pattern is adjusted so that the ratio of the volume of the anti-warp pattern to the volume of the copper structure is 0.9 to 1.1.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and in the technical field to which the present invention belongs, without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims Any person skilled in the art can make various modifications, of course, and such modifications are within the scope of the claims.

100: 양면 냉각형 파워 모듈
10: 제1 세라믹 회로 기판
11: 제1 세라믹 기판
12: 제1 구리 패턴
121: 베이스 구리층
122: 제1단 구리 구조
123: 제2단 구리 구조
13: 제1 휨 방지 패턴
20: 제2 세라믹 회로 기판
21: 제2 세라믹 기판
22: 제2 구리 패턴
23: 제2 휨 방지 패턴 100: double-sided cooling power module
10: first ceramic circuit board
11: first ceramic substrate
12: first copper pattern
121: base copper layer
122: first stage copper structure
123: second stage copper structure
13: first bending prevention pattern
20: second ceramic circuit board
21: second ceramic substrate
22: second copper pattern
23: second bending prevention pattern

Claims (11)

양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판의 제조방법으로서,
a) 제1면과 그 제1면에 나란한 제2면을 구비하는 세라믹 기판을 준비하는 단계와,
b) 상기 제1면 위에 단차가 있는 3차원의 구리 패턴을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 b) 단계는,
b-1) 상기 세라믹 기판의 제1면 위에 베이스 구리층을 형성하는 단계와,
b-2) 상기 베이스 구리층 일부의 위에 구리 페이스트를 인쇄 및 건조하여 구리 페이스트 층을 형성하고, 상기 구리 페이스트 층을 압착하여 상기 구리 페이스트 층의 높이 차이를 줄인 후 열처리하는 방법으로 적어도 하나의 구리층을 형성하여 상기 베이스 구리층으로부터 돌출된 제1단 구리 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판의 제조방법.A method for manufacturing a ceramic circuit board for a double-sided cooling type power module, comprising:
a) preparing a ceramic substrate having a first surface and a second surface parallel to the first surface;
b) forming a three-dimensional copper pattern having a step on the first surface,
Step b) is,
b-1) forming a base copper layer on the first surface of the ceramic substrate;
b-2) printing and drying a copper paste on a portion of the base copper layer to form a copper paste layer, compressing the copper paste layer to reduce a height difference between the copper paste layers, and then heat-treating at least one copper and forming a first-stage copper structure protruding from the base copper layer by forming a layer. 제1항에 있어서,
상기 b) 단계는,
b-3) 상기 제1단 구리 구조 중 일부의 위에 구리 페이스트를 인쇄한 후 열처리하는 방법으로 적어도 하나의 구리층을 형성하여 상기 제1단 구리 구조 위에 제2단 구리 구조를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판의 제조방법.According to claim 1,
Step b) is,
b-3) forming at least one copper layer by a method of printing a copper paste on a portion of the first-stage copper structure and then heat-treating to form a second-stage copper structure on the first-stage copper structure; A method of manufacturing a ceramic circuit board for a double-sided cooling type power module, comprising: 제1항에 있어서,
상기 제1단 구리 구조와 제2단 구리 구조의 열팽창 계수는 10×10-6/℃ 이하인 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판의 제조방법. According to claim 1,
The thermal expansion coefficient of the first-stage copper structure and the second-stage copper structure is 10×10 -6 /°C or less. 제3항에 있어서,
상기 제1단 구리 구조와 제2단 구리 구조의 표층 구리층은 표층 페이스트를 인쇄한 후 열처리하여 형성하며,
상기 표층 페이스트는 글라스 프릿을 포함하지 않으며, 산화구리(Cu2O) 입자들과 평균 입경이 1 내지 5㎛인 미세 구리 입자들을 5 내지 60중량% 포함하는 수축률이 10% 내지 15%인 구리 페이스트인 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판의 제조방법.4. The method of claim 3,
The surface copper layer of the first-stage copper structure and the second-stage copper structure is formed by heat-treating the surface layer paste after printing,
The surface layer paste does not contain a glass frit, and contains copper oxide (Cu 2 O) particles and 5 to 60% by weight of fine copper particles having an average particle diameter of 1 to 5 μm. A copper paste having a shrinkage ratio of 10% to 15% A method for manufacturing a ceramic circuit board for a double-sided cooling type power module. 제1항에 있어서,
상기 b-1) 단계는,
상기 세라믹 기판의 제1면 위에 구리 포일을 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판의 제조방법.According to claim 1,
Step b-1) is,
and bonding a copper foil on the first surface of the ceramic substrate. 제1항에 있어서,
상기 b-1) 단계는,
상기 세라믹 기판의 제1면 위에 접합 페이스트를 인쇄한 후 열처리하여 접합 구리층을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 접합 페이스트는 글라스 프릿(Glass Frit), 무기물 입자들, 산화구리 입자들 및 구리 입자들을 포함하는 수축률이 3% 이하인 페이스트인 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판의 제조방법.According to claim 1,
Step b-1) is,
and printing a bonding paste on the first surface of the ceramic substrate and then heat-treating it to form a bonded copper layer,
The bonding paste is a method of manufacturing a ceramic circuit board for a double-sided cooling type power module, characterized in that the paste containing glass frit, inorganic particles, copper oxide particles and copper particles having a shrinkage ratio of 3% or less. 제6항에 있어서,
상기 b-1) 단계는,
상기 접합 구리층 위 또는 상기 접합 구리층 위에 형성된 중간층 위에 표층 페이스트를 인쇄한 후 열처리하여 표층 구리층을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 표층 페이스트는 글라스 프릿을 포함하지 않으며, 산화구리(Cu2O) 입자들과 평균 입경이 1 내지 5㎛인 미세 구리 입자들을 5 내지 60중량% 포함하는 수축률이 10% 내지 15%인 구리 페이스트인 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판의 제조방법.7. The method of claim 6,
Step b-1) is,
Printing a surface layer paste on the bonded copper layer or on the intermediate layer formed on the bonded copper layer, followed by heat treatment to form a surface copper layer,
The surface layer paste does not contain a glass frit, and contains copper oxide (Cu 2 O) particles and 5 to 60% by weight of fine copper particles having an average particle diameter of 1 to 5 μm. A copper paste having a shrinkage ratio of 10% to 15% A method for manufacturing a ceramic circuit board for a double-sided cooling type power module. 제1면과 그 제1면과 나란한 제2면을 구비한 세라믹 기판과,
상기 제1면 위에 형성된 단차가 있는 3차원의 구리 패턴을 포함하며,
상기 3차원의 구리 패턴은,
상기 세라믹 기판의 제1면 위에 형성된 베이스 구리층과,
상기 베이스 구리층 일부의 위에 구리 페이스트를 인쇄 및 건조하여 구리 페이스트 층을 형성하고, 상기 구리 페이스트 층을 압착하여 상기 구리 페이스트 층의 높이 차이를 줄인 후 열처리하는 방법으로 형성된 적어도 하나의 구리층으로 이루어지며, 상기 베이스 구리층으로부터 돌출된 제1단 구리 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판.A ceramic substrate having a first surface and a second surface parallel to the first surface;
It includes a three-dimensional copper pattern having a step formed on the first surface,
The three-dimensional copper pattern,
a base copper layer formed on the first surface of the ceramic substrate;
At least one copper layer formed by printing and drying a copper paste on a part of the base copper layer to form a copper paste layer, compressing the copper paste layer to reduce the height difference between the copper paste layers, and then heat-treating it. and a first-stage copper structure protruding from the base copper layer. 제8항에 있어서,
상기 제1단 구리 구조 일부의 위에 구리 페이스트를 인쇄한 후 열처리하는 방법으로 형성된 적어도 하나의 구리층으로 이루어진 제2단 구리 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 냉각형 파워 모듈용 세라믹 회로 기판.9. The method of claim 8,
The ceramic circuit board for a double-sided cooling power module according to claim 1, further comprising a second-stage copper structure comprising at least one copper layer formed by a method of heat-treating after printing copper paste on a portion of the first-stage copper structure. 제1면과 그 제1면과 나란한 제2면을 구비한 제1 세라믹 기판과, 상기 제1 세라믹 기판의 제1면 위에 형성된 단차가 있는 3차원의 제1 구리 패턴을 포함하는 제1 세라믹 회로 기판과,
상기 제1면과 일정한 거리를 두고 마주보는 제3면과 그 제3면과 나란한 제4면을 구비한 제2 세라믹 기판과, 상기 제2 세라믹 기판의 제3면 위에 형성된 단차가 있는 3차원의 제2 구리 패턴을 포함하는 제2 세라믹 회로 기판과,
상기 3차원의 제1 구리 패턴과 상기 3차원의 제2 구리 패턴 사이에 배치되어, 일면은 상기 3차원의 제1 구리 패턴의 표면과 접합되고, 다른 면은 상기 3차원의 제2 구리 패턴의 표면과 접합되는 적어도 하나의 파워 소자를 포함하며,
상기 3차원의 제1 구리 패턴은,
상기 제1 세라믹 기판의 제1면 위에 형성된 베이스 구리층과,
상기 베이스 구리층 일부의 위에 구리 페이스트를 인쇄 및 건조하여 구리 페이스트 층을 형성하고, 상기 구리 페이스트 층을 압착하여 상기 구리 페이스트 층의 높이 차이를 줄인 후 열처리하는 방법으로 형성된 적어도 하나의 구리층으로 이루어지며, 상기 베이스 구리층으로부터 돌출된 제1단 구리 구조를 포함하는 양면 냉각형 파워 모듈. A first ceramic circuit including a first ceramic substrate having a first surface and a second surface parallel to the first surface, and a three-dimensional first copper pattern having a step formed on the first surface of the first ceramic substrate board and
A second ceramic substrate having a third surface facing the first surface at a predetermined distance and a fourth surface parallel to the third surface, and a three-dimensional step formed on the third surface of the second ceramic substrate a second ceramic circuit board including a second copper pattern;
It is disposed between the three-dimensional first copper pattern and the three-dimensional second copper pattern, and one surface is bonded to the surface of the three-dimensional first copper pattern, and the other surface is the three-dimensional second copper pattern. at least one power element bonded to the surface;
The three-dimensional first copper pattern,
a base copper layer formed on the first surface of the first ceramic substrate;
At least one copper layer formed by printing and drying a copper paste on a part of the base copper layer to form a copper paste layer, compressing the copper paste layer to reduce the height difference between the copper paste layers, and then heat-treating it. and a double-sided cooling power module including a first-stage copper structure protruding from the base copper layer. 제10항에 있어서,
상기 제1단 구리 구조 일부의 위에 구리 페이스트를 인쇄한 후 열처리하는 방법으로 형성된 적어도 하나의 구리층으로 이루어진 제2단 구리 구조를 더 포함하는 양면 냉각형 파워 모듈.11. The method of claim 10,
The double-sided cooling type power module further comprising a second-stage copper structure comprising at least one copper layer formed by a method of heat-treating a portion of the first-stage copper structure after printing copper paste.
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