KR101586157B1 - 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법 - Google Patents

파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법 Download PDF

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KR101586157B1
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노부유키 데라사키
도시오 사카모토
가즈나리 마키
히로유키 모리
이사오 아라이
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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 파워 모듈용 기판 (10) 은, 절연 기판 (11) 과, 이 절연 기판 (11) 의 일방의 면에 형성된 회로층 (12) 을 구비한 파워 모듈용 기판 (10) 으로서, 상기 회로층 (12) 은, 상기 절연 기판 (11) 의 일방의 면에 제 1 동판 (22) 이 접합되어 구성되어 있고, 상기 제 1 동판 (22) 은, 접합되기 전에 있어서, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 1 ㏖ppm 이상 100 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 100 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고, 잔부가 구리 및 불가피 불순물로 된 조성으로 되어 있다.

Description

파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법{SUBSTRATE FOR POWER MODULE, SUBSTRATE FOR POWER MODULE WITH HEAT SINK, POWER MODULE, AND METHOD FOR MANUFACTURING SUBSTRATE FOR POWER MODULE}
이 발명은, 대전류, 고전압을 제어하는 반도체 장치에 사용되는 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은, 2011년 08월 12일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2011-176712호 및 일본 특허출원 2011-176881호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
반도체 소자 중에서도 전력 공급을 위한 파워 모듈은, 발열량이 비교적 높기 때문에, 이것을 탑재하는 기판으로는, 예를 들어, AlN (질화알루미늄), Al2O3 (알루미나), Si3N4 (질화규소) 등으로 이루어지는 절연 기판과, 이 절연 기판의 일방의 면측에 제 1 금속판이 접합되어 구성된 회로층과, 절연 기판의 타방의 면측에 제 2 금속판이 접합되어 구성된 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판이 사용된다.
이와 같은 파워 모듈용 기판에서는, 회로층 상에, 땜납재를 개재하여 파워 소자 등의 반도체 소자가 탑재된다.
예를 들어, 특허문헌 1 에는, 제 1 금속판 (회로층) 및 제 2 금속판 (금속층) 으로서 알루미늄판을 사용하여 이루어지는 파워 모듈용 기판이 제안되어 있다.
또, 특허문헌 2, 3 에는, 제 1 금속판 (회로층) 및 제 2 금속판 (금속층) 을 동판으로 하고, 이 동판을 DBC 법에 의해 절연 기판에 직접 접합하여 이루어지는 파워 모듈용 기판이 제안되어 있다. 또, 특허문헌 2 의 도 1 에는, 상기 서술한 파워 모듈용 기판에, 유기계 내열성 접착제를 사용하여 알루미늄제 히트 싱크를 접합한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판이 개시되어 있다.
일본 특허공보 제3171234호 일본 공개특허공보 평04-162756호 일본 특허공보 제3211856호
그런데, 특허문헌 1 에 기재된 파워 모듈용 기판에 있어서는, 회로층을 구성하는 제 1 금속판으로서 알루미늄판이 사용되고 있다. 구리와 알루미늄을 비교하면, 알루미늄의 열전도율이 낮기 때문에, 회로층으로서 알루미늄판을 사용한 경우에는, 동판을 사용한 경우에 비하여 회로층 상에 탑재된 전기 부품 등의 발열체로부터의 열을 확산시켜 방산할 수 없다. 이 때문에, 전자 부품의 소형화나 고출력화에 의해, 파워 밀도가 상승한 경우에는, 열을 충분히 방산할 수 없게 될 우려가 있었다.
특허문헌 2, 3 에 있어서는, 회로층을 동판으로 구성하고 있기 때문에, 회로층 상에 탑재된 전기 부품 등의 발열체로부터의 열을 효율적으로 방산하는 것이 가능해진다.
그러나, 상기 서술한 파워 모듈용 기판에 있어서는, 그 사용 환경에 있어서 냉열 사이클이 부하되는데, 특허문헌 2, 3 에 기재되어 있는 바와 같이 회로층 및 금속층을 동판으로 구성한 경우에는, 상기 서술한 냉열 사이클에 의해 절연 기판과 동판의 열팽창 계수의 차에서 기인하는 전단 응력이 동판에 작용한다. 따라서, 동판이 가공 경화되어, 절연 기판에 균열 등이 발생한다는 문제가 있었다.
또, 특허문헌 2 에 기재된 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판에 있어서는, 알루미늄제 히트 싱크와 절연 기판 사이에 동판이 배치 형성되어 있다. 이 점에서, 히트 싱크와 절연 기판의 열팽창 계수의 차에서 기인하는 열 변형을, 이 동판에 의해서 충분히 완화할 수 없어, 냉열 사이클 부하시에 절연 기판에 균열 등이 발생하기 쉽다는 문제가 있었다.
이 발명은, 상기 서술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 회로층 상에 탑재된 전자 부품 등으로부터의 열을 효율 좋게 방산할 수 있음과 함께, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 절연 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있는 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판은, 절연 기판과, 상기 절연 기판의 일방의 면에 형성된 회로층을 구비한 파워 모듈용 기판으로서, 상기 회로층은, 상기 절연 기판의 일방의 면에 제 1 동판이 접합되어 구성되어 있고, 상기 제 1 동판은, 접합되기 전에 있어서, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 1 ㏖ppm 이상 100 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 100 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고, 잔부가 구리 및 불가피 불순물로 된 조성으로 되어 있다.
또, 상기 절연 기판의 타방의 면에 형성된 금속층을 추가로 구비한 파워 모듈용 기판으로서, 상기 금속층은, 상기 절연 기판의 타방의 면에 알루미늄판이 접합되어 구성되어 있어도 된다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 전자 부품 등이 탑재되는 회로층이 제 1 동판으로 구성되어 있기 때문에, 전자 부품 등으로부터 발생하는 열을 충분히 확산시킬 수 있어, 열의 방산을 촉진할 수 있다.
또, 상기 회로층을 구성하는 제 1 동판은, 접합되기 전에 있어서, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 1 ㏖ppm 이상 100 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 100 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고, 잔부가 구리 및 불가피 불순물로 된 조성으로 되어 있어도 된다.
이 때문에, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 또는 보론 중 적어도 1 종 이상의 원소가, 불가피 불순물 중 하나로서 구리 중에 존재하는 S (황) 와 반응하여 황화물을 생성하여, S 의 영향을 억제하는 것이 가능해진다. 따라서, 냉열 사이클시의 특히 고온역에서, 회로층에 있어서 회복·재결정화가 진행되고, 절연 기판과 회로층의 열팽창률 차에서 기인하는 전단 응력에 의해 가공 경화된 회로층의 변형이 감소되게 되어, 냉열 사이클시에 있어서 절연 기판에 부하되는 응력이 저감된다. 이로써, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 절연 기판의 균열의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소의 함유량의 합계가 1 ㏖ppm 미만인 경우, 또는 보론의 함유량이 100 ㏖ppm 미만인 경우에는, 구리 중에 존재하는 S 의 영향을 충분히 억제할 수 없게 될 우려가 있다. 또, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소의 함유량의 합계가 100 ㏖ppm 초과하는 경우, 또는 보론의 함유량이 1000 ㏖ppm 초과하는 경우에는, 이들의 원소에 의해 회로층 (제 1 동판) 이 경화되거나 열전도도가 저하되거나 할 우려가 있다.
따라서, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 1 ㏖ppm 이상 100 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 100 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하의 범위로 설정하고 있다.
상기 회로층을 구성하는 제 1 동판은, 접합되기 전에 있어서, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 3 ㏖ppm 이상 50 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 300 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고, 잔부가 구리 및 불가피 불순물로 된 조성으로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소의 함유량의 합계가 3 ㏖ppm 이상, 또는 보론의 함유량이 300 ㏖ppm 이상으로 되어 있기 때문에, 구리 중의 S 의 영향을 억제할 수 있고, 재결정 온도가 낮아져, 가공 경화를 확실하게 억제하는 것이 가능해진다. 또, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소의 함유량의 합계가 50 ㏖ppm 이하, 또는 보론의 함유량이 1000 ㏖ppm 이하로 되어 있기 때문에, 제 1 동판의 경화나 열전도도의 저하를 억제할 수 있다.
또, 상기 회로층을 구성하는 제 1 동판은, 산소 함유량이 1 질량ppm 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 또는 보론 중 적어도 1 종 이상의 원소가 산소와 반응하여 산화물이 되는 것이 억제되고, 확실하게 S 와 반응하여 황화물을 생성할 수 있다. 따라서, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 또는 보론 중 적어도 1 종 이상의 원소의 함유량이 적어도, S 의 영향을 충분히 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 금속층 중 상기 절연 기판과의 접합 계면에는, Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있고, 상기 금속층 중 접합 계면 근방에 있어서의 상기 첨가 원소의 농도의 합계가 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 금속층에, Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga 및 Li 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있기 때문에, 상기 금속층의 접합 계면측 부분이 고용 강화된다. 이로써, 금속층 부분에서의 파단을 방지할 수 있다.
또, 상기 금속층 중 접합 계면 근방에 있어서의 상기 첨가 원소의 농도의 합계가 0.01 질량％ 이상으로 되어 있기 때문에, 금속층의 접합 계면측 부분을 확실하게 고용 강화시킬 수 있다. 또, 상기 금속층 중 접합 계면 근방에 있어서의 상기 첨가 원소의 농도의 합계가 5 질량％ 이하로 되어 있기 때문에, 금속층의 접합 계면 근방의 강도가 과잉으로 높아지는 것을 방지할 수 있고, 이 파워 모듈용 기판에 열사이클이 부하되었을 때에, 열 변형을 금속층에서 완화하는 것이 가능해져, 절연 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 상기 금속층 중 상기 절연 기판과의 접합 계면에는, Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소의 농도가, 상기 금속층 중의 상기 첨가 원소의 농도의 2 배 이상으로 된 첨가 원소 고농도부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 금속층의 접합 계면에, 상기 첨가 원소의 농도가 상기 금속층 중의 상기 첨가 원소의 농도의 2 배 이상으로 된 첨가 원소 고농도부가 형성되어 있기 때문에, 계면 근방에 존재하는 상기 첨가 원소 원자에 의해, 금속층의 접합 강도의 향상을 도모하는 것이 가능해진다. 금속층 중의 상기 첨가 원소의 농도란, 금속층 중 접합 계면으로부터 일정 거리 (예를 들어, 5 ㎚ 이상) 떨어진 부분에 있어서의 상기 첨가 원소의 농도이다.
또, 본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 절연 기판의 타방의 면에 형성된 금속층을 추가로 구비한 파워 모듈용 기판으로서, 상기 금속층은, 상기 절연 기판의 타방의 면에 제 2 동판이 접합되어 구성되어 있고, 상기 제 2 동판은, 접합되기 전에 있어서, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 1 ㏖ppm 이상 100 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 100 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고, 잔부가 구리 및 불가피 불순물로 된 조성으로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 절연 기판의 타방의 면에 제 2 동판으로 이루어지는 금속층이 형성되어 있기 때문에, 금속층에 있어서 열을 확산시킬 수 있어, 열의 방산을 더욱 촉진할 수 있다. 또, 절연 기판의 양면에 각각 동판이 접합되기 때문에, 절연 기판의 휨을 억제할 수 있다.
또한, 금속층을 구성하는 제 2 동판은, 접합되기 전에 있어서, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 1 ㏖ppm 이상 100 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 100 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고, 잔부가 구리 및 불가피 불순물로 된 조성으로 되어 있어도 된다.
이 때문에, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 또는 보론 중 적어도 1 종 이상의 원소가, 불가피 불순물 중 하나로서 구리 중에 존재하는 S (황) 와 반응하여 황화물을 생성하여, S 의 영향을 억제하는 것이 가능해진다. 따라서, 냉열 사이클시의 특히 고온역에서, 금속층에 있어서 회복·재결정화가 진행되고, 절연 기판과 회로층의 열팽창률 차에서 기인하는 전단 응력에 의해 가공 경화된 회로층의 변형이 감소되어, 냉열 사이클시에 있어서 절연 기판에 부하되는 응력이 저감된다. 이로써, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 절연 기판의 균열의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
상기 제 1 동판 및 상기 제 2 동판 중 적어도 일방은, 접합되기 전에 있어서, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 3 ㏖ppm 이상 50 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 300 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고, 잔부가 구리 및 불가피 불순물로 된 조성으로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소의 함유량의 합계가 3 ㏖ppm 이상, 또는 보론의 함유량이 300 ㏖ppm 이상으로 되어 있기 때문에, 구리 중의 S 의 영향을 억제할 수 있고, 재결정 온도가 낮아져, 가공 경화를 확실하게 억제하는 것이 가능해진다. 또, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소의 함유량의 합계가 50 ㏖ppm 이하, 또는 보론의 함유량이 1000 ㏖ppm 이하로 되어 있기 때문에, 상기 제 1 동판 및/또는 상기 제 2 동판의 경화나 열전도도의 저하를 억제할 수 있다.
또, 상기 제 1 동판 및 상기 제 2 동판 중 적어도 일방은, 산소 함유량이 1 질량ppm 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 또는 보론 중 적어도 1 종 이상의 원소가 산소와 반응하여 산화물이 되는 것이 억제되고, 확실하게 S 와 반응하여 황화물을 생성할 수 있다. 따라서, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 또는 보론 중 적어도 1 종 이상의 원소의 함유량이 적어도, S 의 영향을 충분히 억제하는 것이 가능해진다.
본 발명의 다른 양태인 파워 모듈용 기판은, 상기 서술한 파워 모듈용 기판과, 상기 절연 기판의 타방의 면측에 배치 형성된 히트 싱크를 구비하고 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 의하면, 알루미늄판 또는 제 2 동판으로 이루어지는 금속층에 히트 싱크가 접합되어 있다. 따라서, 이 히트 싱크에 의해, 파워 모듈용 기판으로부터의 열을 효율 좋게 방산할 수 있다. 또, 냉열 사이클 부하시의 열 변형을 금속층의 변형에 의해 완화시킬 수 있어, 절연 기판의 균열을 억제할 수 있다.
본 발명의 일 양태인 히트 싱크가 형성된 파워 모듈은, 상기 서술한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판과, 상기 회로층 상에 탑재된 전자 부품을 구비하고 있다.
또, 본 발명의 다른 양태인 파워 모듈은, 상기 서술한 파워 모듈용 기판과, 상기 회로층 상에 탑재된 전자 부품을 구비하고 있다.
이들 구성의 파워 모듈에 의하면, 회로층 상에 탑재된 전자 부품으로부터의 열을 효율적으로 방산할 수 있어, 전자 부품의 파워 밀도 (발열량) 가 향상된 경우라도 충분히 대응할 수 있다.
본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 절연 기판과, 이 절연 기판의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 절연 기판의 타방의 면에 형성된 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 회로층은, 상기 절연 기판의 일방의 면에 제 1 동판이 접합되어 구성되고, 상기 금속층은, 상기 절연 기판의 타방의 면에 알루미늄판이 접합되어 구성되고, 상기 제 1 동판은, 접합되기 전에 있어서, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 1 ㏖ppm 이상 100 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 100 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고, 잔부가 구리 및 불가피 불순물로 된 조성으로 되어 있고, 상기 절연 기판의 일방의 면에 제 1 동판을 접합하여 상기 회로층을 형성하는 회로층 형성 공정과, 상기 절연 기판의 타방의 면에 알루미늄판을 접합하여 상기 금속층을 형성하는 제 1 금속층 형성 공정을 구비하고, 상기 제 1 금속층 형성 공정에 있어서는, 상기 알루미늄판의 접합 계면에 Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 배치하고, 상기 알루미늄판을 접합한다.
이 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 상기 서술한 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다. 또, 상기 제 1 금속층 형성 공정에 있어서는, 상기 제 2 금속판의 접합 계면에 Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 배치하고, 상기 알루미늄판을 접합하는 구성이기 때문에, 상기 알루미늄판과 상기 절연 기판을 강고하게 접합할 수 있다. 또, Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li 와 같은 원소는, 알루미늄의 융점을 강하시키는 원소이기 때문에, 비교적 저온인 조건 (예를 들어 570 ∼ 630 ℃) 에 있어서도, 상기 알루미늄판의 접합 계면에 용융 금속 영역을 형성할 수 있다. 이들 첨가 원소는, 상기 알루미늄판 등의 접합면에 고착시켜도 되고, 접합면에 이들 첨가 원소를 함유하는 금속박 (납재 (蠟材) 박) 을 배치 형성해도 된다.
본 발명에 의하면, 회로층 상에 탑재된 전자 부품 등으로부터의 열을 효율 좋게 방산할 수 있음과 함께, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 절연 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있는 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2a 는 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판에 있어서의 금속층의 첨가 원소의 농도 분포를 측정하는 영역을 나타내는 설명도이다.
도 2b 는 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판에 있어서의 금속층의 첨가 원소의 농도 분포를 나타내는 설명도이다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 금속층 및 히트 싱크 (방열판) 의 첨가 원소의 농도 분포를 나타내는 설명도이다.
도 4 는 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 금속층과 세라믹스 기판의 접합 계면의 모식도이다.
도 5 는 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 흐름도이다.
도 6 은 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 7 은 도 6 에 있어서의 세라믹스 기판과 금속층 (알루미늄판) 의 접합 계면 근방을 나타내는 설명도이다.
도 8 은 도 6 에 있어서의 히트 싱크 (방열판) 와 금속층 (알루미늄판) 의 접합 계면 근방을 나타내는 설명도이다.
도 9 는 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 10 은 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 (동판) 과 세라믹스 기판의 접합 계면의 확대 설명도이다.
도 11 은 본 발명의 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 흐름도이다.
도 12 는 본 발명의 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 13 은 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 14 는 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 흐름도이다.
도 15 는 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 16 은 본 발명의 제 4 실시형태인 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 17 은 본 발명의 제 5 실시형태인 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 18 은 본 발명의 제 5 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 흐름도이다.
도 19 는 본 발명의 제 5 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 20 은 본 발명의 제 6 실시형태인 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 21 은 본 발명의 제 6 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 흐름도이다.
도 22 는 본 발명의 제 6 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 23 은 본 발명의 제 7 실시형태인 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 24 는 본 발명의 제 7 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 흐름도이다.
도 25 는 본 발명의 제 7 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 에 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10), 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (40) 및 파워 모듈 (1) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (1) 은, 파워 모듈용 기판 (10) 과, 반도체 소자 (3) 와, 히트 싱크 (41) 를 구비하고 있다. 파워 모듈용 기판 (10) 은, 회로층 (12) 이 배치 형성되어 있다. 반도체 소자 (3) 는, 회로층 (12) 의 탑재면 (12A) 에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합되어 있다. 땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 또는 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재 (이른바 무연 땜납재) 로 되어 있다. 본 실시형태에서는, 회로층 (12) 의 탑재면 (12A) 과 땜납층 (2) 사이에, Ni 도금막 (도시하지 않음) 이 형성되어 있어도 된다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과, 회로층 (12) 과, 금속층 (13) 을 구비하고 있다. 회로층 (12) 은, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 형성되어 있다. 금속층 (13) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 1 에 있어서 하면) 에 형성되어 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 회로층 (12) 과 금속층 (13) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 절연성이 높은 Al2O3 (알루미나) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 6 에 있어서 상면) 에, 제 1 동판 (22) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 회로층 (12) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.3 ㎜ 로 설정되어 있다. 또, 이 회로층 (12) 에는, 회로 패턴이 형성되어 있고, 그 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 이, 반도체 소자 (3) 가 탑재되는 탑재면 (12A) 으로 되어 있다.
이 제 1 동판 (22) (회로층 (12)) 은, 접합되기 전에 있어서, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 1 ㏖ppm 이상 100 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 100 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고, 잔부가 구리 및 불가피 불순물로 된 조성으로 되어 있고, 더욱 바람직하게는, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 3 ㏖ppm 이상 50 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 300 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고 있고, 산소 함유량이 1 질량ppm 이하로 되어 있다.
본 실시형태에서는, 제 1 동판 (22) (회로층 (12)) 은, 순도 99.99 질량％ 이상의 무산소 구리 (OFC) 에 Mg 를 15 ㏖ppm 첨가한 Mg가 도핑된 구리를 사용하였다.
금속층 (13) 은, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 6 에 있어서 하면) 에, 알루미늄판 (23) 이 접합됨으로써 형성되어 있다.
이 알루미늄판 (23) (금속층 (13)) 은, 순도가 99 질량％ 이상이고, 내력이 30 N/㎟ 이하인 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 압연판으로 되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 알루미늄판 (23) (금속층 (13)) 은, 순도가 99.99 질량％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 되어 있다.
도 2a 및 도 2b 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 에 있어서는, Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있고, 본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Cu 가 고용되어 있다.
금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방에는, 접합 계면 (30) 으로부터 적층 방향으로 이간됨에 따라 점차 첨가 원소의 농도 (본 실시형태에서는 Cu 농도) 가 저하되는 농도 경사층 (31) 이 형성되어 있다. 또, 이 농도 경사층 (31) 의 접합 계면 (30) 측 (금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방) 의 첨가 원소의 농도 (본 실시형태에서는 Cu 농도) 가, 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방의 첨가 원소의 농도는, EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해, 접합 계면 (30) 으로부터 50 ㎛ 의 위치에서 5 점 측정한 평균치이다. 또, 도 2b 의 그래프는, 금속층 (13) 의 중앙 부분에 있어서 적층 방향으로 라인 분석을 실시하고, 상기 서술한 50 ㎛ 위치에서의 농도를 기준으로 하여 구하였다.
히트 싱크 (41) 는, 상기 서술한 파워 모듈용 기판 (10) 을 냉각시킨다. 본 실시형태에 있어서의 히트 싱크 (41) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 의 타방의 면측에 접합된 방열판 (42) 을 구비하고 있다. 방열판 (42) 은, 내력이 100 N/㎟ 이상인 금속 재료로 구성되고, 그 두께가 2 ㎜ 이상인 것으로 되어 있고, 본 실시형태에서는, A6063 합금 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
도 3 에 나타내는 바와 같이, 금속층 (13) 과 방열판 (42) 의 접합 계면 (35) 에 있어서는, 금속층 (13) 및 방열판 (42) 에, Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있고, 본 실시형태에서는 첨가 원소로서 Cu 가 고용되어 있다.
금속층 (13) 및 방열판 (42) 의 접합 계면 (35) 근방에는, 접합 계면 (35) 으로부터 적층 방향으로 이간됨에 따라 점차 첨가 원소의 농도 (본 실시형태에서는 Cu 농도) 가 저하되는 농도 경사층 (36, 37) 이 형성되어 있다. 또, 이 농도 경사층 (36, 37) 의 접합 계면 (35) 측 (금속층 (13) 및 방열판 (42) 의 접합 계면 (35) 근방) 의 첨가 원소의 농도 (본 실시형태에서는 Cu 농도) 가 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
이 금속층 (13) 및 방열판 (42) 의 접합 계면 (35) 근방의 첨가 원소의 농도는, EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해, 접합 계면 (35) 으로부터 50 ㎛ 의 위치에서 5 점 측정한 평균치이다. 또, 도 3 의 그래프는, 금속층 (13) 및 방열판 (42) 의 중앙 부분에 있어서 적층 방향으로 라인 분석을 실시하고, 상기 서술한 50 ㎛ 위치에서의 농도를 기준으로 하여 구하였다.
또, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 을 투과 전자 현미경에 있어서 관찰한 경우에는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 접합 계면 (30) 에 첨가 원소 (Cu) 가 농축된 첨가 원소 고농도부 (32) 가 형성되어 있다. 이 첨가 원소 고농도부 (32) 에 있어서는, 첨가 원소의 농도 (Cu 농도) 가, 금속층 (13) 중의 첨가 원소의 농도 (Cu 농도) 의 2 배 이상으로 되어 있다. 이 첨가 원소 고농도부 (32) 의 두께 (H) 는 4 ㎚ 이하로 되어 있다.
여기서 관찰하는 접합 계면 (30) 은, 금속층 (13) 의 격자 이미지의 계면측 단부와 세라믹스 기판 (11) 의 격자 이미지의 접합 계면 (30) 측 단부 사이의 중앙을 기준면 (S) 으로 한다. 또, 금속층 (13) 중의 첨가 원소의 농도 (Cu 농도) 는, 금속층 (13) 중 접합 계면 (30) 으로부터 일정 거리 (본 실시형태에서는 5 ㎚) 떨어진 부분에 있어서의 첨가 원소의 농도 (Cu 농도) 이다.
이하에, 상기 서술한 구성의 파워 모듈용 기판 (10) 및 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (40) 의 제조 방법에 대해, 도 5 내지 도 8 을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 5 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (12) 이 되는 제 1 동판 (22) 과, 세라믹스 기판 (11) 을 접합한다 (회로층 형성 공정 S01). 세라믹스 기판 (11) 이 Al2O3 으로 구성되어 있는 점에서, 제 1 동판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 을, 구리 (Cu) 와 아산화구리 (Cu2O) 의 공정역 (共晶域) 에서의 액상을 이용한 DBC 법 (Direct Bonding Copper) 에 의해 접합한다. 구체적으로는, 제 1 동판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 을 접촉시키고, 산소가 미량 첨가된 질소 가스 분위기 중에 있어서 1075 ℃ 에서 10 분 가열함으로써, 제 1 동판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 이 접합된다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면측에, 금속층 (13) 이 되는 알루미늄판 (23) 을 접합함 (제 1 금속층 형성 공정 S02) 과 함께, 알루미늄판 (23) 과 히트 싱크 (41) 의 방열판 (42) 을 접합한다 (히트 싱크 접합 공정 S03). 본 실시형태에서는, 이들 제 1 금속층 형성 공정 S02 와 히트 싱크 접합 공정 S03 을 동시에 실시한다.
알루미늄판 (23) 의 일방의 면에 스퍼터링에 의해 첨가 원소 (Cu) 를 고착시켜 제 1 고착층 (51) 을 형성함과 함께, 알루미늄판 (23) 의 타방의 면에 스퍼터링에 의해 첨가 원소 (Cu) 를 고착시켜 제 2 고착층 (52) 을 형성한다 (고착층 형성 공정 S11). 제 1 고착층 (51) 및 제 2 고착층 (52) 에 있어서의 첨가 원소량은 0.01 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하의 범위 내로 되어 있고, 본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Cu 를 사용하고 있고, 제 1 고착층 (51) 및 제 2 고착층 (52) 에 있어서의 Cu 량이 0.08 ㎎/㎠ 이상 2.7 ㎎/㎠ 이하로 설정되어 있다.
다음으로, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 알루미늄판 (23) 을 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면측에 적층한다. 또한, 알루미늄판 (23) 의 타방의 면측에 방열판 (42) 을 적층한다 (적층 공정 S12).
이 때, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 알루미늄판 (23) 의 제 1 고착층 (51) 이 형성된 면이 세라믹스 기판 (11) 을 향하도록, 또한, 알루미늄판 (23) 의 제 2 고착층 (52) 이 형성된 면이 방열판 (42) 을 향하도록 하여 이들을 적층한다. 즉, 알루미늄판 (23) 과 세라믹스 기판 (11) 사이에 제 1 고착층 (51) (첨가 원소 : Cu) 을 개재시키고, 알루미늄판 (23) 과 방열판 (42) 사이에 제 2 고착층 (52) (첨가 원소 : Cu) 을 개재시키고 있다.
다음으로, 제 1 동판 (22) 및 세라믹스 기판 (11), 알루미늄판 (23), 방열판 (42) 을 그 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 ㎏f/㎠) 한 상태에서 진공 가열로 내에 장입 (裝入) 하여 가열한다 (가열 공정 S13). 본 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-3 ∼ 10-6 ㎩ 의 범위 내로 설정하고, 가열 온도는 550 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
이 공정에 의해, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 알루미늄판 (23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 제 1 용융 금속 영역 (55) 이 형성된다. 이 제 1 용융 금속 영역 (55) 은, 제 1 고착층 (51) 의 첨가 원소 (Cu) 가 알루미늄판 (23) 측으로 확산됨으로써, 알루미늄판 (23) 의 제 1 고착층 (51) 근방의 첨가 원소의 농도 (Cu 농도) 가 상승하여 융점이 낮아짐으로써 형성된다.
또, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 알루미늄판 (23) 과 방열판 (42) 의 계면에 제 2 용융 금속 영역 (56) 이 형성된다. 이 제 2 용융 금속 영역 (56) 은, 제 2 고착층 (52) 의 첨가 원소 (Cu) 가 알루미늄판 (23) 측 및 방열판 (42) 측으로 확산됨으로써, 알루미늄판 (23) 및 방열판 (42) 의 제 2 고착층 (52) 근방의 첨가 원소의 농도 (Cu 농도) 가 상승하여 융점이 낮아짐으로써 형성된다.
다음으로, 제 1 용융 금속 영역 (55), 제 2 용융 금속 영역 (56) 이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지해 둔다 (용융 금속 응고 공정 S14).
이 공정에 의해, 제 1 용융 금속 영역 (55) 중의 Cu 가, 알루미늄판 (23) 측으로 더욱 확산되어 간다. 이로써, 제 1 용융 금속 영역 (55) 이었던 부분의 Cu 농도가 서서히 저하되어 가고 융점이 상승하게 되고, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 간다. 이로써, 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (23) 이 접합된다.
동일하게, 제 2 용융 금속 영역 (56) 중의 Cu 가, 알루미늄판 (23) 측 및 방열판 (42) 측으로 더욱 확산되어, 제 2 용융 금속 영역 (56) 이었던 부분의 Cu 농도가 서서히 저하되어 가고 융점이 상승하게 되고, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 간다. 이로써, 알루미늄판 (23) 과 방열판 (42) 이 접합된다.
요컨대, 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (23), 및 알루미늄판 (23) 과 방열판 (42) 은, 이른바 Transient Liquid Phase Diffusion Bonding 에 의해 접합되어 있는 것이다.
이와 같이 하여, 제 1 동판 (22) 과, 세라믹스 기판 (11) 과, 알루미늄판 (23) 과, 히트 싱크 (41) 의 방열판 (42) 이 접합되어, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 및 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (40) 이 제조된다.
이상과 같이 구성된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 에 의하면, 반도체 소자 (3) 가 탑재되는 탑재면 (12A) 을 갖는 회로층 (12) 이, 제 1 동판 (22) 으로 구성되어 있다. 따라서, 반도체 소자 (3) 로부터 발생하는 열을 충분히 확산시킬 수 있어, 이 열의 방산을 촉진할 수 있다. 이로써, 파워 밀도가 높은 반도체 소자 (3) 등의 전자 부품을 탑재할 수 있어, 반도체 패키지의 소형화, 고출력화를 도모하는 것이 가능해진다.
회로층 (12) 을 구성하는 제 1 동판 (22) 이, 접합되기 전에 있어서, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 1 ㏖ppm 이상 100 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 100 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고, 잔부가 구리 및 불가피 불순물로 된 조성으로 되고, 더욱 바람직하게는, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 3 ㏖ppm 이상 50 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 300 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고 있고, 본 실시형태에서는, 순도 99.99 질량％ 이상의 무산소 구리 (OFC) 에 Mg 를 15 ㏖ppm 첨가한 Mg가 도핑된 구리를 사용하였다. 따라서, Mg 가 불가피 불순물 중 하나로서 구리 중에 존재하는 S (황) 와 반응하여 황화물을 생성하여, S 의 영향을 억제하는 것이 가능해진다. 이로써, 제 1 동판 (22) (회로층 (12)) 의 재결정 온도가 낮아져, 가공 경화가 억제된다. 따라서, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 세라믹스 기판 (11) 의 균열의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 제 1 동판 (22) (회로층 (12)) 의 산소 함유량이 1 질량ppm 이하로 되어 있다. 따라서, Mg 가 산소와 반응하여 소비되는 것이 억제되고, Mg 와 S 를 확실하게 반응시킬 수 있다.
또, 본 실시형태에서는 세라믹스 기판 (11) 이 Al2O3 으로 구성되어 있다. 따라서, 상기 서술한 바와 같이, 제 1 동판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 을, 구리 (Cu) 와 아산화구리 (Cu2O) 의 공정역에서의 액상을 이용한 DBC 법 (Direct Bonding Copper) 에 의해 접합할 수 있다. 이로써, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (제 1 동판 (22)) 의 접합 강도를 확보할 수 있고, 접합 신뢰성이 우수한 파워 모듈용 기판 (10) 을 구성할 수 있다.
또, 금속층 (13) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면 (30), 및 금속층 (13) 과 히트 싱크 (41) 의 방열판 (42) 의 접합 계면 (35) 에는 Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있고, 본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Cu 가 고용되어 있다. 따라서, 금속층 (13) 의 접합 계면 (30, 35) 측 부분이 고용 강화되게 되어, 금속층 (13) 부분에서의 파단을 방지할 수 있다.
금속층 (13) 중 접합 계면 (30, 35) 근방에 있어서의 첨가 원소의 농도 (본 실시형태에서는 Cu 농도) 가 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다. 따라서, 금속층 (13) 의 접합 계면 (30, 35) 근방의 강도가 과잉으로 높아지는 것을 방지할 수 있고, 이 파워 모듈용 기판 (10) 에 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 열 변형을 금속층 (13) 에서 완화하는 것이 가능해져, 세라믹스 기판 (11) 의 균열의 발생을 억제할 수 있다.
또, 금속층 (13) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면 (30) 에는, Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소의 농도 (본 실시형태에서는 Cu 농도) 가, 금속층 (13) 중의 상기 첨가 원소의 농도의 2 배 이상으로 된 첨가 원소 고농도부 (32) 가 형성되어 있다. 따라서, 계면 근방에 존재하는 첨가 원소 원자 (Cu 원자) 에 의해, 금속층 (13) 의 접합 강도의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.
또, 히트 싱크 (41) 의 방열판 (42) 을, 내력이 100 N/㎟ 이상인 금속 재료로 구성하고, 그 두께가 2 ㎜ 이상인 것으로 하고 있고, 본 실시형태에서는 A6063 합금 (알루미늄 합금) 으로 구성된 것으로 하고 있다. 이 점에서, 강성이 높고 취급이 용이해진다.
또한, 히트 싱크 (41) 의 방열판 (42) 과 세라믹스 기판 (11) 사이에, 내력이 30 N/㎟ 이하인 알루미늄 (본 실시형태에서는, 순도 99.99 ％ 이상의 순알루미늄) 으로 이루어지는 금속층 (13) 이 배치 형성되어 있다. 따라서, 히트 싱크 (41) 의 방열판 (42) 의 강성이 높아도, 히트 싱크 (41) 의 방열판 (42) 과 세라믹스 기판 (11) 의 열팽창 계수의 차에서 기인하는 열 변형을 금속층 (13) 에서 충분히 완화시킬 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 의 균열의 발생을 억제할 수 있다.
본 실시형태에서는, 제 1 금속층 형성 공정 S02 및 히트 싱크 접합 공정 S03 에 있어서, 첨가 원소 (Cu) 가 알루미늄판 (23) 측 및 방열판 (42) 측을 향하여 확산됨으로써, 접합 계면 (30, 35) 에 제 1 용융 금속 영역 (55), 제 2 용융 금속 영역 (56) 을 형성하고, 이 제 1 용융 금속 영역 (55), 제 2 용융 금속 영역 (56) 을 응고시킴으로써 접합하는, 이른바 Transient Liquid Phase Diffusion Bonding 에 의해 접합하고 있다. 따라서, 비교적 저온 조건으로 강고하게 접합할 수 있고, 접합 신뢰성이 우수한 파워 모듈용 기판 (10) 및 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (40) 을 제조하는 것이 가능해진다.
또, 알루미늄판 (23) 의 접합면에 형성되는 제 1 고착층 (51) 및 제 2 고착층 (52) 에 있어서의 첨가 원소량은 0.01 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하의 범위 내로 되어 있고, 본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Cu 를 사용하고 있고, 제 1 고착층 (51) 및 제 2 고착층 (52) 에 있어서의 Cu 량이 0.08 ㎎/㎠ 이상 2.7 ㎎/㎠ 이하로 설정되어 있다. 따라서, 알루미늄판 (23) 의 접합 계면 (30, 35) 에, 제 1 용융 금속 영역 (55), 제 2 용융 금속 영역 (56) 을 확실하게 형성할 수 있다. 또, 첨가 원소 (Cu) 가 과잉으로 알루미늄판 (23) 측으로 확산되어 접합 계면 (30, 35) 근방의 금속층 (13) (알루미늄판 (23)) 의 강도가 과잉으로 높아지는 것을 방지할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 제 1 금속층 형성 공정 S02 와 히트 싱크 접합 공정 S03 을 동시에 실시하는 구성으로 하고 있다. 따라서, 알루미늄판 (23) 의 양면의 접합 공정을 1 회로 실시할 수 있고, 이 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (40) 의 제조 비용을 대폭 삭감할 수 있다. 또한, 세라믹스 기판 (11) 에 불필요한 열 부하가 작용하지 않아, 휨 등의 발생을 억제할 수 있다.
또, 스퍼터링에 의해 알루미늄판 (23) 의 접합면에 첨가 원소 (Cu) 를 고착시킴으로써, 제 1 고착층 (51) 및 제 2 고착층 (52) 을 형성하고 있다. 따라서, 알루미늄판 (23) 의 접합 계면 (30, 35) 에 확실하게 첨가 원소 (Cu) 를 배치할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해, 도 9 내지 도 12 를 참조하여 설명한다.
도 9 에 나타내는 파워 모듈 (101) 은, 파워 모듈용 기판 (110) 과, 반도체 소자 (3) 와, 히트 싱크 (141) 를 구비하고 있다. 파워 모듈용 기판 (110) 은 회로층 (112) 이 배치 형성되어 있다. 반도체 소자 (3) 는, 회로층 (112) 의 탑재면 (112A) 에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합되어 있다.
파워 모듈용 기판 (110) 은, 세라믹스 기판 (111) 과, 회로층 (112) 과, 금속층 (113) 을 구비하고 있다. 회로층 (112) 은, 이 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면 (도 9 에 있어서 상면) 에 접합되어 있다. 금속층 (113) 은, 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면 (도 9 에 있어서 하면) 에 접합되어 있다.
세라믹스 기판 (111) 은, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (111) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (112) 은, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면에 제 1 동판 (122) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 회로층 (112) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.3 ㎜ 로 설정되어 있다.
이 제 1 동판 (122) (회로층 (112)) 은, 접합되기 전에 있어서, 제 1 실시형태에 기재된 제 1 동판 (22) 과 동일한 구성 (조성) 을 갖고 있다. 본 실시형태에서는, 제 1 동판 (122) (회로층 (112)) 은 순도 99.99 질량％ 이상의 무산소 구리 (OFC) 에, 제 1 실시형태에 기재된 Mg 대신에 Zr 을 10 ㏖ppm 첨가한 Zr이 도핑된 구리를 사용하였다.
금속층 (113) 은, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면에 알루미늄판 (123) 이 접합됨으로써 형성되어 있다.
이 알루미늄판 (123) (금속층 (113)) 은 순도가 99 질량％ 이상이고, 내력이 30 N/㎟ 이하인 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 압연판으로 되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 알루미늄판 (123) (금속층 (113)) 은 순도가 99.99 질량％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 되어 있다.
히트 싱크 (141) 는, 천판부 (142) 와, 유로 (144) 를 구비하고 있다. 천판부 (142) 는 히트 싱크의 천판의 부분으로, 파워 모듈용 기판 (110) 과 접합되어 있다. 유로 (144) 에는 냉각 매체 (예를 들어 냉각수) 가 유통된다.
히트 싱크 (141) (천판부 (142)) 는, 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 또한, 구조재로서의 강성을 확보할 필요가 있다. 그래서, 본 실시형태에 있어서는, 히트 싱크 (141) 의 천판부 (142) 는, A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
세라믹스 기판 (111) 과 금속층 (113) 의 접합 계면에 있어서는, Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있고, 본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Ag 가 고용되어 있다.
금속층 (113) 의 접합 계면 근방에는, 접합 계면으로부터 적층 방향으로 이간됨에 따라 점차 첨가 원소의 농도 (본 실시형태에서는 Ag 농도) 가 저하되는 농도 경사층이 형성되어 있다. 또, 이 농도 경사층의 접합 계면측 (금속층 (113) 의 접합 계면 근방) 의 첨가 원소의 농도 (본 실시형태에서는 Ag 농도) 가, 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
금속층 (113) 의 접합 계면 근방의 첨가 원소의 농도는, EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해, 접합 계면으로부터 50 ㎛ 의 위치에서 5 점 측정한 평균치이다.
또, 금속층 (113) 과 천판부 (142) 의 접합 계면에 있어서는, 금속층 (113) 및 천판부 (142) 에, Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있고, 본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Ag 가 고용되어 있다.
금속층 (113) 및 천판부 (142) 의 접합 계면 근방에는, 접합 계면으로부터 적층 방향으로 이간됨에 따라 점차 첨가 원소의 농도 (본 실시형태에서는 Ag 농도) 가 저하되는 농도 경사층이 형성되어 있다. 또, 이 농도 경사층의 접합 계면측 (금속층 (113) 및 천판부 (142) 의 접합 계면 근방) 의 첨가 원소의 농도 (본 실시형태에서는 Ag 농도) 가, 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다. 이 금속층 (113) 및 천판부 (142) 의 접합 계면 근방의 첨가 원소의 농도는, EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해, 접합 계면으로부터 50 ㎛ 의 위치에서 5 점 측정한 평균치이다.
또, 세라믹스 기판 (111) 과 금속층 (113) 의 접합 계면을 투과 전자 현미경에 있어서 관찰한 경우에는, 접합 계면에 첨가 원소 (Ag) 가 농축된 첨가 원소 고농도부가 형성되어 있다. 이 첨가 원소 고농도부에 있어서는, 첨가 원소의 농도 (Ag 농도) 가, 금속층 (113) 중의 첨가 원소의 농도 (Ag 농도) 의 2 배 이상으로 되어 있다. 이 첨가 원소 고농도부의 두께 (H) 는 4 ㎚ 이하로 되어 있다.
여기서 관찰하는 접합 계면은, 금속층 (113) 의 격자 이미지의 계면측 단부와 세라믹스 기판 (111) 의 격자 이미지의 접합 계면측 단부 사이의 중앙을 기준면으로 한다. 또, 금속층 (113) 중의 첨가 원소의 농도 (Ag 농도) 는, 금속층 (113) 중 접합 계면으로부터 일정 거리 (본 실시형태에서는 5 ㎚) 떨어진 부분에 있어서의 첨가 원소의 농도 (Ag 농도) 이다.
이하에, 상기 서술한 구성의 파워 모듈용 기판 (110) 의 제조 방법 및 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (140) 의 제조 방법에 대해 설명한다.
먼저, 도 11 및 도 12 에 나타내는 바와 같이, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (111) 의 표면에, Al2O3 층 (125) 을 형성한다 (제 1 알루미나층 형성 공정 S100). 이 제 1 알루미나층 형성 공정 S100 에 있어서는, AlN 의 산화 처리를 1200 ℃ 이상에서 Ar-O2 혼합 가스 분위기에서 실시하였다. 산소 분압 PO2 를 10 ㎪ 로 하고, 수증기 분압 PH2O 를 0.05 ㎪ 로 조정하였다. 이와 같이, 고산소 분압/저수증기 분압 분위기에서 AlN 의 산화 처리를 실시함으로써, AlN 과의 밀착성이 우수한 치밀한 Al2O3 층 (125) 이 형성된다. Al2O3 층 (125) 의 두께는 1 ㎛ 이상으로 되어 있다.
고순도의 Ar 가스를 탈산 처리한 후에 산소 가스를 혼합함으로써 산소 분압을 조정하였다. 또, 이 분위기 가스를 실리카 겔과 5산화2인을 충전한 건조계로 통과시킴으로써 탈수 처리를 실시한 후에 소정 온도로 조정된 수중을 통과시키는 것에 의해 수증기 분압을 조정하였다.
다음으로, 회로층 (112) 이 되는 제 1 동판 (122) 과 세라믹스 기판 (111) 을 접합한다 (회로층 형성 공정 S101). AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면에 Al2O3 층 (125) 이 형성되어 있는 점에서, 제 1 동판 (122) 과 Al2O3 층 (125) 이, 구리 (Cu) 와 아산화구리 (Cu2O) 의 공정역에서의 액상을 이용한 DBC 법 (Direct Bonding Copper) 에 의해 접합된다. 구체적으로는, 제 1 동판 (122) 과 Al2O3 층 (125) 을 접촉시키고, 질소 가스 분위기 중에서 1075 ℃ 에서 10 분 가열함으로써, 제 1 동판 (122) 과 Al2O3 층 (125) 을 접합하는 것이다.
다음으로, 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면측에, 금속층 (113) 이 되는 알루미늄판 (123) 을 접합함 (제 1 금속층 형성 공정 S102) 과 함께, 알루미늄판 (123) 과 히트 싱크 (141) (천판부 (142)) 를 접합한다 (히트 싱크 접합 공정 S103). 본 실시형태에서는, 제 1 금속층 형성 공정 S102 와 히트 싱크 접합 공정 S103 을 동시에 실시한다.
알루미늄판 (123) 의 일방의 면에 스퍼터링에 의해 첨가 원소를 고착시켜 제 1 고착층 (151) 을 형성함과 함께, 알루미늄판 (123) 의 타방의 면에 스퍼터링에 의해 첨가 원소를 고착시켜 제 2 고착층 (152) 을 형성한다 (고착층 형성 공정 S111). 제 1 고착층 (151) 및 제 2 고착층 (152) 에 있어서의 첨가 원소량은 0.01 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하의 범위 내로 되어 있고, 본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Ag 를 사용하고 있고, 제 1 고착층 (151) 및 제 2 고착층 (152) 에 있어서의 Ag 량이 0.01 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하로 설정되어 있다.
다음으로, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 알루미늄판 (123) 을 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면측에 적층한다. 또한, 알루미늄판 (123) 의 타방의 면측에 천판부 (142) 를 적층한다 (적층 공정 S112).
이 때, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 알루미늄판 (123) 의 제 1 고착층 (151) 이 형성된 면이 세라믹스 기판 (111) 을 향하도록, 또한, 알루미늄판 (123) 의 제 2 고착층 (152) 이 형성된 면이 천판부 (142) 를 향하도록 하여, 이들을 적층한다. 즉, 알루미늄판 (123) 과 세라믹스 기판 (111) 사이에 제 1 고착층 (151) (첨가 원소 : Ag) 을 개재시키고, 알루미늄판 (123) 과 천판부 (142) 사이에 제 2 고착층 (152) (첨가 원소 : Ag) 을 개재시키고 있는 것이다.
다음으로, 제 1 동판 (122) 및 세라믹스 기판 (111), 알루미늄판 (123), 천판부 (142) 를 그 적층 방향으로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다 (가열 공정 S113). 본 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-3 ∼ 10-6 ㎩ 의 범위 내로, 가열 온도는 550 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
이 공정에 의해, 알루미늄판 (123) 과 세라믹스 기판 (111) 의 계면에 제 1 용융 금속 영역이 형성된다. 이 제 1 용융 금속 영역은, 제 1 고착층 (151) 의 첨가 원소 (Ag) 가 알루미늄판 (123) 측으로 확산됨으로써, 알루미늄판 (123) 의 제 1 고착층 (151) 근방의 첨가 원소의 농도 (Ag 농도) 가 상승하여 융점이 낮아짐으로써 형성된다.
또, 알루미늄판 (123) 과 천판부 (142) 의 계면에 제 2 용융 금속 영역이 형성된다. 이 제 2 용융 금속 영역은, 제 2 고착층 (152) 의 첨가 원소 (Ag) 가 알루미늄판 (123) 측 및 천판부 (142) 측으로 확산됨으로써, 알루미늄판 (123) 및 천판부 (142) 의 제 2 고착층 (152) 근방의 첨가 원소의 농도 (Ag 농도) 가 상승하여 융점이 낮아짐으로써 형성된다.
다음으로, 제 1 용융 금속 영역, 제 2 용융 금속 영역이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지해 둔다 (용융 금속 응고 공정 S114).
이 공정에 의해, 제 1 용융 금속 영역 중의 Ag 가, 더욱 알루미늄판 (123) 측으로 확산되어 간다. 이로써, 제 1 용융 금속 영역이었던 부분의 Ag 농도가 서서히 저하되어 가 융점이 상승하게 되고, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 간다. 이로써, 세라믹스 기판 (111) 과 알루미늄판 (123) 이 접합된다.
동일하게, 제 2 용융 금속 영역 중의 Ag 가, 더욱 알루미늄판 (123) 측 및 천판부 (142) 측으로 확산되고, 제 2 용융 금속 영역이었던 부분의 Ag 농도가 서서히 저하되어 가 융점이 상승하게 되고, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 간다. 이로써, 알루미늄판 (123) 과 천판부 (142) 가 접합된다.
요컨대, 세라믹스 기판 (111) 과 알루미늄판 (123), 및 알루미늄판 (123) 과 천판부 (142) 는, 이른바 Transient Liquid Phase Diffusion Bonding 에 의해 접합되어 있는 것이다. 이와 같이 하여 응고가 진행된 후에, 상온으로까지 냉각을 실시한다.
이와 같이 하여, 제 1 동판 (122) 과 세라믹스 기판 (111) 과 알루미늄판 (123) 과 히트 싱크 (141) (천판부 (142)) 가 접합되어, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 및 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (140) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 에 의하면, 회로층 (112) 이 제 1 동판 (122) 으로 구성되어 있다. 따라서, 회로층 (112) 의 탑재면 (112A) 상에 탑재되는 반도체 소자 (3) 등의 발열체로부터의 열의 방출을 효율 좋게 촉진할 수 있다.
또, 회로층 (112) 이, Zr 을 10 ㏖ppm 함유하는 제 1 동판 (122) 으로 구성되어 있다. 따라서, Zr 이 불가피 불순물 중 하나로서 구리 중에 존재하는 S (황) 와 반응하여 황화물을 생성하여, S 의 영향을 억제하는 것이 가능해진다. 이로써, 제 1 동판 (122) (회로층 (112)) 의 재결정 온도가 낮아져, 가공 경화가 억제된다. 따라서, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 세라믹스 기판 (111) 의 균열의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태에서는, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (111) 의 표면에, Al2O3 층 (125) 을 형성하고, 이 Al2O3 층 (125) 을 이용하여 제 1 동판 (122) 과 세라믹스 기판 (111) 을 DBC 법에 의해 접합하고 있기 때문에, 제 1 동판 (122) 과 세라믹스 기판 (111) 을 강고하게 접합할 수 있다. 이와 같이, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (111) 이어도, DBC 법을 이용하여 제 1 동판 (122) 를 접합하는 것이 가능해진다.
또한, 제 1 알루미나층 형성 공정 S100 에 있어서, 형성하는 Al2O3 층 (125) 의 두께를 1 ㎛ 이상으로 하고 있다. 따라서, 제 1 동판 (122) 과 세라믹스 기판 (111) 을 확실하게 접합하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태에서는, 고산소 분압/저수증기 분압 분위기에서 AlN 의 산화 처리를 실시함으로써, AlN 과의 밀착성이 우수한 치밀한 Al2O3 층 (125) 을 형성하고 있다. 따라서, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (111) 과 Al2O3 층 (125) 사이에서의 박리의 발생을 방지하는 것이 가능해진다.
다음으로, 본 발명의 제 3 실시형태에 대해, 도 13 내지 도 15 를 참조하여 설명한다.
도 13 에 나타내는 파워 모듈용 기판 (210) 은, 세라믹스 기판 (211) 과, 회로층 (212) 과, 금속층 (213) 을 구비하고 있다. 회로층 (212) 은, 이 세라믹스 기판 (211) 의 일방의 면 (도 13 에 있어서 상면) 에 형성되어 있다. 금속층 (213) 은, 세라믹스 기판 (211) 의 타방의 면 (도 13 에 있어서 하면) 에 형성되어 있다.
세라믹스 기판 (211) 은, 회로층 (212) 과 금속층 (213) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 절연성이 높은 AlN 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (211) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (212) 은, 도 15 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (211) 의 일방의 면 (도 15 에 있어서 상면) 에, 제 1 동판 (222) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 회로층 (212) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.3 ㎜ 로 설정되어 있다. 또, 이 회로층 (212) 에는, 회로 패턴이 형성되어 있고, 그 일방의 면 (도 13 에 있어서 상면) 이, 반도체 소자 (3) 가 탑재되는 탑재면 (212A) 으로 되어 있다.
이 제 1 동판 (222) (회로층 (212)) 은 접합되기 전에 있어서, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 1 ㏖ppm 이상 100 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 100 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고, 잔부가 구리 및 불가피 불순물로 된 조성으로 되고, 더욱 바람직하게는, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 3 ㏖ppm 이상 50 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 300 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고 있고, 산소 함유량이 1 질량ppm 이하로 되어 있다.
본 실시형태에서는, 제 1 동판 (222) (회로층 (212)) 은, 순도 99.99 질량％ 이상의 무산소 구리 (OFC) 에 La 를 7 ㏖ppm 첨가한 La가 도핑된 구리를 사용하였다.
금속층 (213) 은, 도 15 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (211) 의 타방의 면 (도 15 에 있어서 하면) 에, 알루미늄판 (223) 이 접합됨으로써 형성되어 있다.
이 알루미늄판 (223) (금속층 (213)) 은, 순도가 99 질량％ 이상이고, 내력이 30 N/㎟ 이하인 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 압연판으로 되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 알루미늄판 (223) (금속층 (213)) 은, 순도가 99.99 질량％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 되어 있다.
이하에, 상기 서술한 구성의 파워 모듈용 기판 (210) 의 제조 방법에 대해 설명한다.
먼저, 도 14 및 도 15 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (212) 이 되는 제 1 동판 (222) 과 세라믹스 기판 (211) 을 접합한다 (회로층 형성 공정 S201). 세라믹스 기판 (211) 과 제 1 동판 (222) 은, 이른바 활성 금속법에 의해 접합되어 있다. 이 활성 금속법은, 도 15 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (211) 과 제 1 동판 (222) 사이에, Ag-Cu-Ti 로 이루어지는 납재 (225) 를 배치 형성하고, 세라믹스 기판 (211) 과 제 1 동판 (222) 을 접합하는 방법이다.
본 실시형태에서는, Ag - 27.4 질량％ Cu - 2.0 질량％ Ti 로 이루어지는 납재 (225) 를 사용하여, 10-3 ㎩ 의 진공 중에서, 적층 방향으로 가압한 상태에서 850 ℃ 에서 10 분 가열함으로써, 세라믹스 기판 (211) 과 제 1 동판 (222) 을 접합하고 있다.
다음으로, 세라믹스 기판 (211) 의 타방의 면측에 금속층 (213) 이 되는 알루미늄판 (223) 을 접합한다 (제 1 금속층 형성 공정 S202). 세라믹스 기판 (211) 과 알루미늄판 (223) 은, Al-Si 계의 납재를 사용하여 접합되어 있다.
본 실시형태에서는, 도 15 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (211) 과 알루미늄판 (223) 사이에, 15 ∼ 30 ㎛ (본 실시형태에서는 20 ㎛) 의 납재박 (226) 을 배치 형성하고, 적층 방향으로 가압한 상태에서 N2 가스 분위기의 가열로 내에 장입하여 550 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로 가열함으로써, 알루미늄판 (223) 과 세라믹스 기판 (211) 을 접합하고 있다.
이와 같이 하여, 제 1 동판 (222) 과 세라믹스 기판 (211) 과 알루미늄판 (223) 이 접합되어, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 에 의하면, 회로층 (212) 이 제 1 동판 (222) 으로 구성되어 있다. 따라서, 회로층 (212) 의 탑재면 (212A) 상에 탑재되는 반도체 소자 등의 발열체로부터의 열의 방출을 효율 좋게 촉진할 수 있다.
또, 회로층 (212) 이, La 를 7 ㏖ppm 함유하는 제 1 동판 (222) 으로 구성되어 있다. 따라서, La 가 불가피 불순물 중 하나로서 구리 중에 존재하는 S (황) 와 반응하여 황화물을 생성하여, S 의 영향을 억제하는 것이 가능해진다. 이로써, 제 1 동판 (222) (회로층 (212)) 의 재결정 온도가 낮아져, 가공 경화가 억제된다. 따라서, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 세라믹스 기판 (211) 의 균열의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
또, Ag-Cu-Ti 의 납재 (225) 를 사용한 활성 금속법에 의해, 제 1 동판 (222) 과 세라믹스 기판 (211) 을 접합하고 있다. 따라서, 제 1 동판 (222) 및 세라믹스 기판 (211) 의 계면에 산소를 개재시키지 않고, 파워 모듈용 기판 (210) 을 구성할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 4 실시형태에 대해, 도 16 을 참조하여 설명한다.
도 16 에 나타내는 바와 같이, 금속층 (313) 을, 복수의 알루미늄판 (313A, 313B) 을 적층한 구조로 해도 된다. 도 16 에서는, 2 장의 알루미늄판 (313A, 313B) 을 적층시킨 것으로 하고 있지만, 적층하는 장 수에 제한은 없다. 또, 도 16 에 나타내는 바와 같이, 적층하는 알루미늄판끼리의 크기, 형상이 상이해도 되고, 동일한 크기, 형상으로 조정된 것이어도 된다. 또한, 이들 금속판의 조성이 상이해도 된다.
도 17 에, 본 발명의 제 5 실시형태인 파워 모듈용 기판 (410), 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (440) 및 파워 모듈 (401) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (401) 은, 파워 모듈용 기판 (410) 과, 반도체 소자 (3) 와, 히트 싱크 (441) 를 구비하고 있다. 파워 모듈용 기판 (410) 은, 회로층 (412) 이 배치 형성되어 있다. 반도체 소자 (3) 는, 회로층 (412) 의 탑재면 (412A) 에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합되어 있다. 땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 또는 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재 (이른바 무연 땜납재) 로 되어 있다. 본 실시형태에서는, 회로층 (412) 의 탑재면 (412A) 과 땜납층 (2) 사이에, Ni 도금막 (도시하지 않음) 이 형성되어 있어도 된다.
파워 모듈용 기판 (410) 은, 도 17 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (411) 과, 회로층 (412) 과, 금속층 (413) 을 구비하고 있다. 회로층 (412) 은, 이 세라믹스 기판 (411) 의 일방의 면 (도 17 에 있어서 상면) 에 형성되어 있다. 금속층 (413) 은, 세라믹스 기판 (411) 의 타방의 면 (도 17 에 있어서 하면) 에 형성되어 있다.
세라믹스 기판 (411) 은, 회로층 (412) 과 금속층 (413) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 절연성이 높은 Al2O3 (알루미나) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (411) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (412) 은, 도 19 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (411) 의 일방의 면 (도 19 에 있어서 상면) 에, 제 1 동판 (422) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 회로층 (412) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.3 ㎜ 로 설정되어 있다. 또, 이 회로층 (412) 에는, 회로 패턴이 형성되어 있고, 그 일방의 면 (도 17 에 있어서 상면) 이, 반도체 소자 (3) 가 탑재되는 탑재면 (412A) 으로 되어 있다.
금속층 (413) 은, 도 19 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (411) 의 타방의 면 (도 19 에 있어서 하면) 에, 제 2 동판 (423) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 금속층 (413) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.3 ㎜ 로 설정되어 있다.
이 제 1 동판 (422) (회로층 (412)) 및 제 2 동판 (423) (금속층 (413)) 은, 접합되기 전에 있어서, 모두 제 1 실시형태에 기재된 제 1 동판 (22) 과 동일한 구성 (조성) 을 갖고 있다. 본 실시형태에서는, 순도 99.99 질량％ 이상의 무산소 구리 (OFC) 에 Mg 를 15 ㏖ppm 첨가한 Mg가 도핑된 구리를 사용하였다.
히트 싱크 (441) 는, 상기 서술한 파워 모듈용 기판 (410) 을 냉각시킨다. 본 실시형태에 있어서의 히트 싱크 (441) 는, 도 17 에 나타내는 바와 같이, 파워 모듈용 기판 (410) 의 금속층 (413) 의 타방의 면측에 접합된 방열판 (442) 을 구비하고 있다. 본 실시형태에서는, 방열판 (442) 은, A6063 합금 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
파워 모듈용 기판 (410) 의 금속층 (413) 과 히트 싱크 (441) 의 방열판 (442) 의 천판의 부분은 땜납층 (405) 을 개재하여 접합되어 있다. 땜납층 (405) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 또는 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재 (이른바 무연 땜납재) 로 되어 있다. 본 실시형태에서는, 금속층 (413) 의 타방의 면에 방열판 (442) 의 천판의 부분을 접합했지만, 이것에 특별히 한정되지 않으며, 세라믹스 기판 (411) 의 타방의 면 (도 19 에 있어서 하면) 에 직접 방열판 (442) 을 납땜할 수도 있다.
이하에, 상기 서술한 구성의 파워 모듈용 기판 (410) 및 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (440) 의 제조 방법에 대해, 도 18 및 도 19 를 참조하여 설명한다.
도 18 및 도 19 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (412) 이 되는 제 1 동판 (422) 과 세라믹스 기판 (411) 을 접합함 (회로층 형성 공정 S401) 과 함께, 금속층 (413) 이 되는 제 2 동판 (423) 과 세라믹스 기판 (411) 을 접합한다 (제 2 금속층 형성 공정 S402). 본 실시형태에서는, 이들 회로층 형성 공정 S401 과 제 2 금속층 형성 공정 S402 를 동시에 실시한다.
먼저, 세라믹스 기판 (411) 의 일방의 면측에 제 1 동판 (422) 을 적층한다. 또, 세라믹스 기판 (411) 의 타방의 면측에 제 2 동판 (423) 을 적층한다 (적층 공정 S411).
다음으로, 제 1 동판 (422), 세라믹스 기판 (411), 제 2 동판 (423) 을 그 적층 방향으로 가압한 상태에서, 산소 함유 분위기에서 가열한다 (가열 공정 S412). 본 실시형태에서는, 가열 온도는 1065 ℃ 이상 1083 ℃ 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
이 공정에 의해, 도 19 에 나타내는 바와 같이, 제 1 동판 (422) 과 세라믹스 기판 (411) 의 계면에 제 1 용융 금속 영역 (455) 이 형성되고, 세라믹스 기판 (411) 과 제 2 동판 (423) 의 계면에 제 2 용융 금속 영역 (456) 이 형성된다. 이들 제 1 용융 금속 영역 (455) 및 제 2 용융 금속 영역 (456) 은, 구리 (Cu) 와 아산화구리 (Cu2O) 의 공정 반응에 의해 융점이 강하됨으로써 형성된다.
다음으로, 온도를 저하시킴으로써, 제 1 용융 금속 영역 (455) 및 제 2 용융 금속 영역 (456) 을 응고시킨다 (응고 공정 S413).
이렇게 하여 제 1 동판 (422), 세라믹스 기판 (411), 제 2 동판 (423) 이 접합되어, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (410) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (410) 에 의하면, 반도체 소자 (3) 가 탑재되는 탑재면 (412A) 을 갖는 회로층 (412) 이, 제 1 동판 (422) 으로 구성되어 있다. 따라서, 반도체 소자 (3) 로부터 발생하는 열을 충분히 확산시킬 수 있어, 이 열의 방산을 촉진할 수 있다. 이로써, 파워 밀도가 높은 반도체 소자 (3) 등의 전자 부품을 탑재할 수 있고, 반도체 패키지의 소형화, 고출력화를 도모하는 것이 가능해진다.
회로층 (412) 을 구성하는 제 1 동판 (422) 및 금속층 (413) 을 구성하는 제 2 동판 (423) 이, 접합되기 전에 있어서, 모두 제 1 실시형태에 기재된 제 1 동판 (22) 과 동일한 구성 (조성) 을 갖고 있다. 본 실시형태에서는, 순도 99.99 질량％ 이상의 무산소 구리 (OFC) 에 Mg 를 15 ㏖ppm 첨가한 Mg가 도핑된 구리를 사용하였다. 따라서, Mg 가 불가피 불순물 중 하나로서 구리 중에 존재하는 S (황) 와 반응하여 황화물을 생성하여, S 의 영향을 억제하는 것이 가능해진다. 이로써, 제 1 동판 (422) (회로층 (412)) 및 제 2 동판 (423) (금속층 (413)) 의 재결정 온도가 낮아져, 가공 경화가 억제된다. 따라서, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 세라믹스 기판 (411) 의 균열의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 제 1 동판 (422) (회로층 (412)) 및 제 2 동판 (423) (금속층 (413)) 의 산소 함유량이 1 질량ppm 이하로 되어 있다. 따라서, Mg 가 산소와 반응하여 소비되는 것이 억제되어, Mg 와 S 를 확실하게 반응시킬 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (411) 이 Al2O3 으로 구성되어 있다. 따라서, 상기 서술한 바와 같이, 제 1 및 제 2 동판 (422, 423) 과 세라믹스 기판 (411) 을, 구리 (Cu) 와 아산화구리 (Cu2O) 의 공정역에서의 액상을 이용한 DBC 법 (Direct Bonding Copper) 에 의해 접합할 수 있다. 이로써, 세라믹스 기판 (411) 과 회로층 (412) (제 1 동판 (422)) 및 세라믹스 기판 (411) 과 금속층 (413) (제 2 동판 (423)) 의 접합 강도를 확보할 수 있고, 접합 신뢰성이 우수한 파워 모듈용 기판 (410) 을 구성할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 회로층 형성 공정 S401 과 제 2 금속층 형성 공정 S402 를 동시에 실시하는 구성으로 하고 있다. 따라서, 접합시에 있어서의 세라믹스 기판 (411) 의 휨의 발생을 억제할 수 있다. 또, 세라믹스 기판 (411) 에 불필요한 열 부하가 작용하지 않아, 휨 등의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 이 파워 모듈용 기판 (410) 의 제조 비용을 대폭 삭감할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 6 실시형태에 대해, 도 20 내지 도 22 를 참조하여 설명한다.
도 20 에 나타내는 파워 모듈용 기판 (510) 은, 세라믹스 기판 (511) 과, 회로층 (512) 과, 금속층 (513) 을 구비하고 있다. 회로층 (512) 은, 이 세라믹스 기판 (511) 의 일방의 면 (도 20 에 있어서 상면) 에 접합되어 있다. 금속층 (513) 은, 세라믹스 기판 (511) 의 타방의 면 (도 20 에 있어서 하면) 에 접합되어 있다.
세라믹스 기판 (511) 은, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (511) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
또, 이 세라믹스 기판 (511) 의 일방의 면 및 타방의 면에는, Al2O3 층 (525, 526) 이 형성되어 있다.
회로층 (512) 은, 도 22 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (511) 의 일방의 면 (도 22 에 있어서 상면) 에 제 1 동판 (522) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 회로층 (512) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.3 ㎜ 로 설정되어 있다. 또, 이 회로층 (512) 에는, 회로 패턴이 형성되어 있고, 그 일방의 면 (도 20 에 있어서 상면) 이, 반도체 소자 등의 전자 부품이 탑재되는 탑재면 (512A) 으로 되어 있다.
금속층 (513) 은, 도 22 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (511) 의 타방의 면 (도 22 에 있어서 하면) 에, 제 2 동판 (523) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 금속층 (513) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.3 ㎜ 로 설정되어 있다.
제 1 동판 (522) (회로층 (512)) 및 제 2 동판 (523) (금속층 (513)) 은, 접합되기 전에 있어서, 모두 제 1 실시형태에 기재된 제 1 동판 (22) 과 동일한 구성 (조성) 을 갖고 있다. 본 실시형태에서는, 제 1 동판 (522) (회로층 (512)) 및 제 2 동판 (523) (금속층 (513)) 은, 순도 99.99 질량％ 이상의 무산소 구리 (OFC) 에, 제 1 실시형태에 기재된 Mg 대신에 Zr 을 10 ㏖ppm 첨가한 Zr이 도핑된 구리를 사용하였다.
이하에, 상기 서술한 구성의 파워 모듈용 기판 (510) 의 제조 방법에 대해, 도 21 및 도 22 를 참조하여 설명한다.
본 실시형태에서는, 도 21 및 도 22 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (512) 이 되는 제 1 동판 (522) 과 세라믹스 기판 (511) 을 접합함 (회로층 형성 공정 S501) 과 함께, 금속층 (513) 이 되는 제 2 동판 (523) 과 세라믹스 기판 (511) 을 접합한다 (제 2 금속층 형성 공정 S502). 본 실시형태에서는, 이들 회로층 형성 공정 S501 과 제 2 금속층 형성 공정 S502 를 동시에 실시한다.
먼저, 도 21 및 도 22 에 나타내는 바와 같이, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (511) 의 일방의 면 및 타방의 면에, Al2O3 층 (525, 526) 을 형성한다 (제 2 알루미나층 형성 공정 S510). 이 제 2 알루미나층 형성 공정 S510 에 있어서는, AlN 의 산화 처리를 1200 ℃ 이상에서 Ar-O2 혼합 가스 분위기에서 실시하였다. 산소 분압 PO2 를 10 ㎪ 로 하고, 수증기 분압 PH2O 를 0.05 ㎪ 로 조정하였다. 이와 같이, 고산소 분압/저수증기 분압 분위기에서 AlN 의 산화 처리를 실시함으로써, AlN 과의 밀착성이 우수한 치밀한 Al2O3 층 (525, 526) 이 형성된다. Al2O3 층 (525, 526) 의 두께는 1 ㎛ 이상으로 되어 있다.
고순도의 Ar 가스를 탈산 처리한 후에 산소 가스를 혼합함으로써 산소 분압을 조정하였다. 또, 이 분위기 가스를 실리카 겔과 5산화2인을 충전한 건조계에 통과시킴으로써 탈수 처리를 실시한 후에 소정 온도로 조정된 수중을 통과시킴으로써 수증기 분압을 조정하였다.
다음으로, 세라믹스 기판 (511) 의 일방의 면측에 제 1 동판 (522) 을 적층한다. 또, 세라믹스 기판 (511) 의 타방의 면측에 제 2 동판 (523) 을 적층한다 (적층 공정 S511). 즉, 세라믹스 기판 (511) 과 제 1 동판 (522) 사이에 Al2O3 층 (525) 을 개재시키고, 세라믹스 기판 (511) 과 제 2 동판 (523) 사이에 Al2O3 층 (526) 을 개재시키고 있는 것이다.
다음으로, 제 1 동판 (522), 세라믹스 기판 (511), 제 2 동판 (523) 을 그 적층 방향으로 가압한 상태에서, 산소 함유 분위기에서 가열한다 (가열 공정 S512). 본 실시형태에서는, 가열 온도는 1065 ℃ 이상 1083 ℃ 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
이 공정에 의해, 도 22 에 나타내는 바와 같이, 제 1 동판 (522) 과 세라믹스 기판 (511) 의 계면에 제 1 용융 금속 영역 (555) 이 형성되고, 세라믹스 기판 (511) 과 제 2 동판 (523) 의 계면에 제 2 용융 금속 영역 (556) 이 형성된다. 이들 제 1 용융 금속 영역 (555) 및 제 2 용융 금속 영역 (556) 은, 구리 (Cu) 와 아산화구리 (Cu2O) 의 공정 반응에 의해 융점이 강하됨으로써 형성된다.
다음으로, 온도를 저하시킴으로써, 제 1 용융 금속 영역 (555) 및 제 2 용융 금속 영역 (556) 을 응고시킨다 (응고 공정 S513).
이렇게 하여, 제 1 동판 (522), 세라믹스 기판 (511), 제 2 동판 (523) 이 접합되어, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (510) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (510) 에 의하면, 회로층 (512) 이 제 1 동판 (522) 으로 구성되어 있다. 따라서, 회로층 (512) 의 탑재면 (512A) 상에 탑재되는 반도체 소자 등의 발열체로부터의 열의 방출을 효율 좋게 촉진할 수 있다.
또, 회로층 (512) 및 금속층 (513) 이, Zr 을 10 ㏖ppm 함유하는 제 1 및 제 2 동판 (522, 523) 으로 구성되어 있다. 따라서, Zr 이 불가피 불순물 중 하나로서 구리 중에 존재하는 S (황) 와 반응하여 황화물을 생성하여, S 의 영향을 억제하는 것이 가능해진다. 이로써, 제 1 동판 (522) (회로층 (512)) 및 제 2 동판 (523) (금속층 (513)) 의 재결정 온도가 낮아져, 가공 경화가 억제된다. 따라서, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 세라믹스 기판 (511) 의 균열의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태에서는, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (511) 의 일방의 면에 Al2O3 층 (525) 을 형성하고, 또한, 타방의 면에 Al2O3 층 (526) 을 형성하고, 이들 Al2O3 층 (525, 526) 을 이용하여 제 1 및 제 2 동판 (522, 523) 과 세라믹스 기판 (511) 을 DBC 법에 의해 접합하고 있기 때문에, 제 1 및 제 2 동판 (522, 523) 과 세라믹스 기판 (511) 을 강고하게 접합할 수 있다. 이와 같이, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (511) 이어도, DBC 법을 이용하여 제 1 및 제 2 동판 (522, 523) 을 접합하는 것이 가능해진다.
또한, 제 2 알루미나층 형성 공정 S510 에 있어서, 형성하는 Al2O3 층 (525, 526) 의 두께를 1 ㎛ 이상으로 하고 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 동판 (522, 523) 과 세라믹스 기판 (511) 을 확실하게 접합하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태에서는, 고산소 분압/저수증기 분압 분위기에서 AlN 의 산화 처리를 실시함으로써, AlN 과의 밀착성이 우수한 치밀한 Al2O3 층 (525, 526) 을 형성하고 있다. 따라서, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (511) 과 Al2O3 층 (525, 526) 사이에서의 박리의 발생을 방지하는 것이 가능해진다.
다음으로, 본 발명의 제 7 실시형태에 대해, 도 23 내지 도 25 를 참조하여 설명한다.
도 23 에 나타내는 파워 모듈용 기판 (610) 은, 세라믹스 기판 (611) 과, 회로층 (612) 과, 금속층 (613) 을 구비하고 있다. 회로층 (612) 은, 이 세라믹스 기판 (611) 의 일방의 면 (도 23 에 있어서 상면) 에 형성되어 있다. 금속층 (613) 은, 세라믹스 기판 (611) 의 타방의 면 (도 23 에 있어서 하면) 에 형성되어 있다.
세라믹스 기판 (611) 은, 회로층 (612) 과 금속층 (613) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 절연성이 높은 AlN 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (611) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (612) 은, 도 25 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (611) 의 일방의 면 (도 25 에 있어서 상면) 에, 제 1 동판 (622) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 회로층 (612) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.3 ㎜ 로 설정되어 있다. 또, 이 회로층 (612) 에는, 회로 패턴이 형성되어 있고, 그 일방의 면 (도 23 에 있어서 상면) 이 반도체 소자 등의 전자 부품이 탑재되는 탑재면 (612A) 으로 되어 있다.
금속층 (613) 은, 도 25 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (611) 의 타방의 면 (도 25 에 있어서 하면) 에, 제 2 동판 (623) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 금속층 (613) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.3 ㎜ 로 설정되어 있다.
제 1 동판 (622) (회로층 (612)) 및 제 2 동판 (623) (금속층 (613)) 은 접합되기 전에 있어서, 모두 제 1 실시형태에 기재된 제 1 동판 (22) 과 동일한 구성 (조성) 을 갖고 있다. 본 실시형태에서는, 제 1 동판 (622) (회로층 (612)) 및 제 2 동판 (623) (금속층 (613)) 은 순도 99.99 질량％ 이상의 무산소 구리 (OFC) 에, 제 1 실시형태에 기재된 Mg 대신에 La 를 7 ㏖ppm 첨가한 La가 도핑된 구리를 사용하였다.
이하에, 상기 서술한 구성의 파워 모듈용 기판 (610) 의 제조 방법에 대해, 도 24 및 도 25 를 참조하여 설명한다.
본 실시형태에서는, 도 24 및 도 25 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (612) 이 되는 제 1 동판 (622) 과 세라믹스 기판 (611) 을 접합함 (회로층 형성 공정 S601) 과 함께, 금속층 (613) 이 되는 제 2 동판 (623) 과 세라믹스 기판 (611) 을 접합한다 (제 2 금속층 형성 공정 S602). 본 실시형태에서는, 이들 회로층 형성 공정 S601 과 제 2 금속층 형성 공정 S602 를 동시에 실시한다.
제 1 및 제 2 동판 (622, 623) 과 세라믹스 기판 (611) 은, 이른바 활성 금속법에 의해 접합되어 있다.
먼저, 세라믹스 기판 (611) 의 일방의 면측에 제 1 동판 (622) 을 적층한다. 또, 세라믹스 기판 (611) 의 타방의 면측에 제 2 동판 (623) 을 적층한다 (적층 공정 S611). 이 때, 도 25 에 나타내는 바와 같이, 제 1 동판 (622) 과 세라믹스 기판 (611) 사이에 Ag-Cu-Ti 로 이루어지는 납재 (625) 를 배치 형성하고, 세라믹스 기판 (611) 과 제 2 동판 (623) 사이에 Ag-Cu-Ti 로 이루어지는 납재 (626) 를 배치 형성한다.
본 실시형태에서는, 납재 (625, 626) 는 Ag - 27.4 질량％ Cu - 2.0 질량％ Ti 의 조성인 것을 사용하였다.
다음으로, 제 1 동판 (622), 세라믹스 기판 (611), 제 2 동판 (623) 을 그 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기에서 가열한다 (가열 공정 S612). 본 실시형태에서는, 10-3 ㎩ 의 진공 분위기에서, 850 ℃, 10 분의 조건으로 가열하였다.
이 공정에 의해, 도 25 에 나타내는 바와 같이, 제 1 동판 (622) 과 세라믹스 기판 (611) 의 계면에 제 1 용융 금속 영역 (655) 이 형성되고, 세라믹스 기판 (611) 과 제 2 동판 (623) 의 계면에 제 2 용융 금속 영역 (656) 이 형성된다.
다음으로, 온도를 저하시킴으로써, 제 1 용융 금속 영역 (655) 및 제 2 용융 금속 영역 (656) 을 응고시킨다 (응고 공정 S613).
이렇게 하여, 제 1 동판 (622), 세라믹스 기판 (611), 제 2 동판 (623) 이 접합되어, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (610) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (610) 에 의하면, 회로층 (612) 이 제 1 동판 (622) 으로 구성되어 있다. 따라서, 회로층 (612) 의 탑재면 (612A) 상에 탑재되는 반도체 소자 등의 발열체로부터의 열의 방출을 효율 좋게 촉진할 수 있다.
또, 회로층 (612) 및 금속층 (613) 이, La 를 7 ㏖ppm 함유하는 제 1 및 제 2 동판 (622, 623) 으로 구성되어 있다. 따라서, La 가 불가피 불순물 중 하나로서 구리 중에 존재하는 S (황) 와 반응하여 황화물을 생성하고, S 의 영향을 억제하는 것이 가능해진다. 이로써, 제 1 동판 (622) (회로층 (612)) 및 제 2 동판 (623) (금속층 (613)) 의 재결정 온도가 낮아져, 가공 경화가 억제된다. 이로써, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 세라믹스 기판 (611) 의 균열의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
또, Ag-Cu-Ti 의 납재 (625, 626) 를 사용한 활성 금속법에 의해, 제 1 및 제 2 동판 (622, 623) 과 세라믹스 기판 (611) 을 접합하고 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 동판 (622, 623) 과 세라믹스 기판 (611) 의 계면에 산소를 개재시키지 않고, 파워 모듈용 기판 (610) 을 구성할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
예를 들어, 세라믹스 기판을, Al2O3, AlN 으로 구성한 것으로 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, Si3N4 등으로 구성된 것이어도 된다.
또, 제 1, 제 2 및 제 3 실시형태에서는, 금속층을 구성하는 알루미늄판을, 순도 99.99 ％ 이상의 순알루미늄의 압연판으로 한 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다.
또, 제 2 및 제 6 실시형태에 있어서, AlN 을 산화 처리함으로써 Al2O3 층을 형성하는 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 다른 수단에 의해 세라믹스 기판의 표면에 Al2O3 층을 형성해도 된다.
또한, 제 1 및 제 2 실시형태에 있어서의 고착층 형성 공정에 있어서, 스퍼터에 의해 첨가 원소를 고착시키는 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 증착, CVD, 도금 또는 페이스트의 도포에 의해 첨가 원소를 고착시켜도 된다.
또, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 5 실시형태에서는, 히트 싱크를 A6063 합금으로 구성한 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, A1100 합금, A3003 합금, A5052 합금, A7N01 합금 등의 다른 금속 재료로 구성된 것이어도 된다.
또한, 히트 싱크의 구조는, 본 실시형태에 한정되지 않고, 다른 구조의 히트 싱크를 채용해도 된다.
또, 히트 싱크 상에 1 개의 파워 모듈용 기판이 접합된 구성으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 1 개의 히트 싱크 상에 복수의 파워 모듈용 기판이 접합되어 있어도 된다.
또, 제 5, 제 6 및 제 7 실시형태에서는, 회로층을 구성하는 동판과 금속층을 구성하는 동판을 동일한 조성의 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 회로층을 구성하는 동판과 금속층을 구성하는 동판을 서로 조성이 상이한 것으로 해도 된다.
실시예
실시예 1
본 발명의 유효성을 확인하기 위하여 실시한 비교 실험에 대해 설명한다.
AlN 으로 이루어지는 두께 0.635 ㎜ 의 세라믹스 기판과, 표 1 에 나타내는 조성의 무산소 구리에 임의의 원소를 첨가한 도핑된 구리, 무산소 구리 (OFC), 터프 피치동 (TPC) 으로 이루어지는 두께 0.3 ㎜ 의 동판과, 순도 99.99 질량％ 의 알루미늄 (4NAl) 으로 이루어지는 두께 1.6 ㎜ 의 알루미늄판을 준비하였다.
이들 세라믹스 기판, 동판, 알루미늄판을, 제 3 실시형태에 기재된 방법에 의해 접합하였다. 회로층 형성 공정 S201 에 있어서의 가압 압력을 0.5 kgf/㎠, 가열 온도를 850 ℃ 로 하였다. 또, 제 1 금속층 형성 공정 S202 에 있어서의 가압 압력을 5 ㎏f/㎠, 가열 온도를 640 ℃ 로 하였다.
이들 파워 모듈용 기판에, 냉열 사이클 (-40 ℃ 내지 110 ℃ 및 110 ℃ 내지 -40 ℃) 을 소정 횟수만큼 부하하고, 세라믹스 기판의 균열의 유무에 대해 확인하였다.
Figure 112014009829692-pct00001
터프 피치동을 사용한 종래예 A1 및 무산소 구리 (OFC) 를 사용한 종래예 A2 에 있어서는, 냉열 사이클을 1000 회에서부터 2000 회 부하하기까지, 세라믹스 기판에 크랙이 관찰되었다.
이에 반하여, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 1 ㏖ppm 이상 100 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 100 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하는 본 발명예 A1 ∼ A14 에 있어서는, 냉열 사이클을 2000 회 부하한 시점에서 세라믹스 기판에 균열은 관찰되지 않았다. 특히, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 3 ㏖ppm 이상 50 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 300 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하는 본 발명예 A1 ∼ A3, A7 ∼ A13 에서는, 냉열 사이클을 3000 회 부하한 시점에서도 세라믹스 기판에 균열은 관찰되지 않았다.
또한, 산소 함유량이 상이한 본 발명예 A5 와 본 발명예 A6 을 비교하면, 산소 함유량이 1 질량ppm 이하로 된 본 발명예 A5 쪽이 세라믹스 기판의 균열 방지 효과가 높은 것이 확인되었다.
실시예 2
본 발명의 유효성을 확인하기 위하여 실시한 비교 실험에 대해 설명한다.
Al2O3 으로 이루어지는 두께 0.635 ㎜ 의 세라믹스 기판과, 표 2 에 나타내는 조성의 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 두께 0.3 ㎜ 의 동판을 준비하였다.
이들 동판, 세라믹스 기판, 동판을, 제 7 실시형태에 기재된 방법에 의해 접합하였다. 회로층 형성 공정 S601 및 제 2 금속층 형성 공정 S602 에 있어서의 가압 압력을 0.5 ㎏f/㎠, 가열 온도를 850 ℃ 로 하였다.
이들 파워 모듈용 기판에, 냉열 사이클 (-40 ℃ 에서 110 ℃ 및 110 ℃ 에서 -40 ℃) 을 소정 횟수만큼 부하하고, 세라믹스 기판의 균열의 유무에 대해 확인하였다.
Figure 112014009829692-pct00002
터프 피치동 (銅) 을 사용한 종래예 B1 및 무산소 구리 (OFC) 를 사용한 종래예 B2 에 있어서는, 냉열 사이클을 1000 회에서부터 2000 회 부하하기까지, 세라믹스 기판에 크랙이 관찰되었다.
이에 반하여, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 1 ㏖ppm 이상 100 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 100 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하는 본 발명예 B1 ∼ B14 에 있어서는, 냉열 사이클을 2000 회 부하한 시점에서 세라믹스 기판에 균열은 관찰되지 않았다. 특히, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 3 ㏖ppm 이상 50 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 300 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하는 본 발명예 B1 ∼ B3, B7 ∼ B13 에서는, 냉열 사이클을 3000 회 부하한 시점에서도 세라믹스 기판에 균열은 관찰되지 않았다.
또한, 산소 함유량이 상이한 본 발명예 B5 와 본 발명예 B6 을 비교하면, 산소 함유량이 1 질량ppm 이하로 된 본 발명예 B5 쪽이 세라믹스 기판의 균열 방지 효과가 높은 것이 확인되었다.
산업상 이용가능성
본 발명에 의하면, 회로층 상에 탑재된 전자 부품 등으로부터의 열을 효율 좋게 방산할 수 있음과 함께, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 절연 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있는 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.
1, 101, 301, 401 : 파워 모듈
3 : 반도체 소자 (전자 부품)
10, 110, 210, 310, 410, 510, 610 : 파워 모듈용 기판
11, 111, 211, 311, 411, 511, 611 : 세라믹스 기판 (절연 기판)
12, 112, 212, 312, 412, 512, 612 : 회로층
13, 113, 213, 313, 413, 513, 613 : 금속층
22, 122, 222, 422, 522, 622 : 제 1 동판
423, 523, 623 : 제 2 동판
23, 123, 223 : 알루미늄판
30 : 접합 계면 (세라믹스 기판/금속층)
32 : 첨가 원소 고농도부
35 : 접합 계면 (금속층/히트 싱크)
40, 140, 340, 440 : 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판
41, 141, 341, 441 : 히트 싱크
125, 525, 526 : Al2O3 층

Claims (13)

  1. 절연 기판과, 상기 절연 기판의 일방의 면에 형성된 회로층을 구비한 파워 모듈용 기판으로서,
    상기 회로층은, 상기 절연 기판의 일방의 면에 제 1 동판이 DBC 법 또는 활성 금속법에 의해 접합되어 구성되어 있고,
    상기 제 1 동판은, 접합되기 전에 있어서, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 1 ㏖ppm 이상 100 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 100 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고, 잔부가 구리 및 불가피 불순물로 된 조성으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연 기판의 타방의 면에 형성된 금속층을 추가로 구비한 파워 모듈용 기판으로서, 상기 금속층은, 상기 절연 기판의 타방의 면에 알루미늄판이 접합되어 구성되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로층을 구성하는 제 1 동판은, 접합되기 전에 있어서, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 3 ㏖ppm 이상 50 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 300 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고, 잔부가 구리 및 불가피 불순물로 된 조성으로 되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로층을 구성하는 제 1 동판은, 산소 함유량이 1 질량ppm 이하로 되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속층 중 상기 절연 기판과의 접합 계면에는, Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있고, 상기 금속층 중 접합 계면 근방에 있어서의 상기 첨가 원소의 농도의 합계가 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속층 중 상기 절연 기판과의 접합 계면에는, Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소의 농도가, 상기 금속층 중의 상기 첨가 원소의 농도의 2 배 이상으로 된 첨가 원소 고농도부가 형성되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연 기판의 타방의 면에 형성된 금속층을 추가로 구비한 파워 모듈용 기판으로서, 상기 금속층은, 상기 절연 기판의 타방의 면에 제 2 동판이 접합되어 구성되어 있고,
    상기 제 2 동판은, 접합되기 전에 있어서, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 1 ㏖ppm 이상 100 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 100 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고, 잔부가 구리 및 불가피 불순물로 된 조성으로 되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 동판 및 상기 제 2 동판 중 적어도 일방은, 접합되기 전에 있어서, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 3 ㏖ppm 이상 50 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 300 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고, 잔부가 구리 및 불가피 불순물로 된 조성으로 되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 동판 및 상기 제 2 동판 중 적어도 일방은, 산소 함유량이 1 질량ppm 이하로 되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 상기 절연 기판의 타방의 면측에 배치 형성된 히트 싱크를 구비한, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판.
  11. 제 10 항에 기재된 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판과, 상기 회로층 상에 탑재된 전자 부품을 구비한, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈.
  12. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 상기 회로층 상에 탑재된 전자 부품을 구비한, 파워 모듈.
  13. 절연 기판과, 이 절연 기판의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 절연 기판의 타방의 면에 형성된 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 회로층은, 상기 절연 기판의 일방의 면에 제 1 동판이 DBC 법 또는 활성 금속법에 의해 접합되어 구성되고, 상기 금속층은, 상기 절연 기판의 타방의 면에 알루미늄판이 접합되어 구성되고, 상기 제 1 동판은, 접합되기 전에 있어서, 적어도, 알칼리토류 원소, 천이 금속 원소, 희토류 원소 중 1 종 이상을 합계로 1 ㏖ppm 이상 100 ㏖ppm 이하, 또는 보론을 100 ㏖ppm 이상 1000 ㏖ppm 이하 중 어느 일방을 함유하고, 잔부가 구리 및 불가피 불순물로 된 조성으로 되어 있고,
    상기 절연 기판의 일방의 면에 제 1 동판을 접합하여 상기 회로층을 형성하는 회로층 형성 공정과,
    상기 절연 기판의 타방의 면에 알루미늄판을 접합하여 상기 금속층을 형성하는 제 1 금속층 형성 공정을 구비하고,
    상기 제 1 금속층 형성 공정에 있어서는, 상기 알루미늄판의 접합 계면에 Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 배치하고, 상기 알루미늄판을 접합하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
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