KR101720921B1 - 파워 모듈용 기판 유닛 및 파워 모듈 - Google Patents

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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

1 매의 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 형성된 금속층을 구비하는 적어도 1 개의 파워 모듈용 기판과； 이 파워 모듈용 기판의 상기 금속층이 접합된 히트 싱크를 갖고, 상기 금속층이 순도 99.99 질량％ 이상의 알루미늄판으로 이루어지고, 상기 히트 싱크가 순도 99.90 질량％ 이하의 알루미늄판으로 이루어지고, 상기 회로층이, 상기 세라믹스 기판에 접합된 순도 99.99 질량％ 이상의 알루미늄판으로 이루어지는 제 1 층과, 그 제 1 층의 표면에 접합된 순도 99.90 질량％ 미만의 알루미늄판으로 이루어지는 제 2 층의 적층 구조를 갖는다.

Description

파워 모듈용 기판 유닛 및 파워 모듈{POWER MODULE SUBSTRATE UNIT AND POWER MODULE}
본 발명은 대전류, 고전압을 제어하는 반도체 장치에 사용되는 파워 모듈용 기판 유닛 및 파워 모듈에 관한 것이다.
본원은 2014년 4월 25일에 출원된 일본 특허출원 2014-092054호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
차재용 파워 모듈에는, 질화알루미늄을 비롯한 세라믹스 기판 상에 알루미늄의 판이 접합됨과 함께, 편측에 알루미늄판을 개재시켜 알루미늄계 히트 싱크가 접합된 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판 유닛이 사용된다.
이와 같은 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판 유닛은, 종래 다음과 같이 제조되어 왔다. 먼저 세라믹스 기판의 양면에, 세라믹스 기판과 알루미늄판의 접합에 적합한 브레이징재 (brazing filler material) 를 개재시켜 알루미늄판을 적층하고, 소정의 압력으로 가압하면서, 그 브레이징재가 용융하는 온도 이상까지 가열함으로써, 세라믹스 기판과 양면의 알루미늄판을 접합시킨다. 다음으로, 편측의 알루미늄판에, 알루미늄판과 히트 싱크의 접합에 적합한 브레이징재를 개재시켜 히트 싱크를 적층하고, 소정의 압력으로 가압하면서, 그 브레이징재가 용융하는 온도 이상까지 가열함으로써, 알루미늄판과 히트 싱크를 접합시킨다. 이에 따라, 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판 유닛이 제조된다.
이와 같은 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판 유닛에서는, 편방의 알루미늄판은 회로층으로서 형성되고, 이 위에는 솔더링재를 개재시켜 파워 소자 등의 반도체 소자가 탑재된다.
이와 같은 파워 모듈용 기판에 있어서는, 휨이 발생하면, 방열 성능 등이 저해되기 때문에, 휨이 적은 기판으로 할 필요가 있다.
종래, 파워 모듈용 기판의 휨 등을 저감시키는 기술로서, 예를 들어 특허문헌 1, 특허문헌 2 기재의 기술이 있다.
특허문헌 1 기재의 파워 모듈용 기판은, 회로층으로서의 금속판에, 알루미늄 순도가 질량％ 로 99.0 ％ 이상 99.95 ％ 이하인 제 1 층과, 알루미늄 순도 99.99 ％ 이상의 제 2 층을 포함하는 2 이상의 층을 적층하여 이루어지는 클래드재를 사용하고 있고, 그 제 2 층이 세라믹스 기판에 접합되어 있다. 이 경우, 회로층의 두께는 600 ㎛, 이 회로층과는 세라믹스 기판의 반대면에 형성되는 금속층의 두께는 400 ㎛ 로 하는 것이 기재되어 있다.
특허문헌 2 에는, 질화규소 기판의 적어도 일방의 표면에 금속 클래드재를 접합한 질화규소 회로 기판이 개시되어 있다. 금속 클래드재로는, Cu 판이나 Al 판 등의 도전성 재료와, 코바판이나 텅스텐판과 같은 저열팽창 금속과의 조합이 바람직한 것으로 알려져 있다.
일본 공개특허공보 2012-191004호 일본 공개특허공보 2003-168770호
종래의 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판 유닛에서는, 주로, 히트 싱크를 접합할 때의 절연 기판과 히트 싱크의 선팽창차에서 기인하는 초기 휨을 저감하는 것을 과제로 하고 있지만, 히트 싱크를 접합한 후의 반도체 소자를 실장하는 공정에서 가열되었을 때, 혹은 사용 환경에 있어서의 온도 변화에 의해 휨이 발생할 우려가 있다.
실장 공정에서 휨이 발생하면, 솔더링 접합부의 위치 어긋남이 발생하거나, 접합부에 변형이나 크랙 등이 발생하여, 접합 신뢰성이 손상되는 과제가 있다. 또, 사용 환경에 있어서 휨이 발생하면, 히트 싱크와 냉각기의 사이에 개재하는 열전도성 그리스가 펌프 아웃 현상에 의해 히트 싱크와 냉각기의 사이부터 흘러나옴으로써, 히트 싱크와 냉각기의 밀착성이 손상되고, 열 저항의 증가를 초래하는 경우가 있다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 히트 싱크와의 접합 후의 초기 휨 뿐만 아니라, 반도체 소자의 실장 공정시나 사용 환경에 있어서도 휨이 적은 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판 유닛 및 파워 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 파워 모듈용 기판 유닛은, 1 매의 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 형성된 금속층을 구비하는 적어도 1 개의 파워 모듈용 기판과； 이 파워 모듈용 기판의 상기 금속층이 접합된 히트 싱크를 갖고, 상기 금속층이 순도 99.99 질량％ 이상의 알루미늄판으로 이루어지고, 상기 히트 싱크가 순도 99.90 질량％ 이하의 알루미늄판으로 이루어지고, 상기 회로층이, 상기 세라믹스 기판에 접합된 순도 99.99 질량％ 이상의 알루미늄판으로 이루어지는 제 1 층과, 그 제 1 층의 표면에 접합된 순도 99.90 질량％ 미만의 알루미늄판으로 이루어지는 제 2 층의 적층 구조를 갖는다.
회로층이 제 1 층과 제 2 층의 적층 구조로서, 강성이 높은, 즉 내력이 높은 히트 싱크에 대해 세라믹스 기판을 사이에 두는 반대측에 강성이 높은 알루미늄판으로 이루어지는 제 2 층을 배치하였으므로, 이들 히트 싱크와 회로층의 제 2 층이 세라믹스 기판을 중심으로 하여 대칭 구조가 되어, 가열시 등에 세라믹스 기판의 양면에 작용하는 응력에 치우침이 잘 발생하지 않아, 휨이 발생하기 어려워진다. 또, 세라믹스 기판과 접합되는 제 1 층으로서, 순도 99.99 질량％ 이상의 비교적 부드러운, 즉 내력이 낮은 알루미늄판을 배치하고 있으므로, 가열시 등에 세라믹스 기판에 가해지는 열 응력을 저감시켜 균열을 방지할 수 있다. 또한, 제 2 층을 내력이 높은 99.0 질량％ 미만의 알루미늄판에 의해 구성한 경우에는, 제 2 층의 두께를 얇게 할 수 있으므로, 열 저항을 증가시키지 않고, 보다 바람직한 구성으로 할 수 있다.
본 발명의 파워 모듈용 기판 유닛에 있어서, 상기 제 2 층의 두께를 t1 (㎜), 상기 제 2 층의 접합 면적을 A1 (㎟), 상기 제 2 층의 내력을 σ1 (N/㎟) 로 하고, 상기 히트 싱크의 두께를 t2 (㎜), 상기 히트 싱크의 접합 면적을 A2 (㎟), 상기 히트 싱크의 내력을 σ2 (N/㎟) 로 했을 때에, 비율 (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2) 가 0.85 이상 1.40 이하이면 된다.
회로층의 제 2 층과 히트 싱크에 대해, 이들의 두께, 접합 면적 및 내력의 관계를 이 범위로 설정함으로써, 세라믹스 기판을 중심으로 하는 대칭성을 보다 향상시키고, 휨의 발생을 확실하게 방지할 수 있다. 즉, 파워 모듈용 기판 유닛의 세라믹스 기판 상에 복수의 소(小)회로층을 늘어놓아 배치 형성하는 등에 의해 회로층을 패턴화한 경우에 있어서는, 세라믹스 기판에 접합되는 회로층의 접합 부분과 금속층이 접합되는 히트 싱크의 접합 부분은 형상이 상이하지만, 그들의 접합 부분에 있어서의 제 2 층의 강성과 히트 싱크 (20) 의 강성의 대칭성을 고려함으로써, 휨의 발생을 확실하게 방지할 수 있다.
또, 본 발명의 파워 모듈용 기판 유닛에 있어서, 상기 회로층은, 상기 제 1 층과 상기 제 2 층의 사이에 개재하는 알루미늄 합금판으로 이루어지는 회로측 접합 심재 (芯材) 를 또한 갖고, 상기 제 2 층의 두께를 t1 (㎜), 상기 제 2 층의 접합 면적을 A1 (㎟), 상기 제 2 층의 내력을 σ1 (N/㎟) 로 하고, 상기 히트 싱크의 두께를 t2 (㎜), 상기 히트 싱크의 접합 면적을 A2 (㎟), 상기 히트 싱크의 내력을 σ2 (N/㎟) 로 하고, 상기 회로측 접합 심재의 두께를 t3 (㎜), 상기 회로측 접합 심재와 상기 제 1 층의 접합 면적을 A3 (㎟), 내력을 σ3 (N/㎟) 으로 했을 때에, 비율 (t1×A1×σ1＋t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2) 를 0.85 이상 1.40 이하로 해도 된다.
또, 본 발명의 파워 모듈용 기판 유닛에 있어서, 상기 금속층과 상기 히트 싱크의 사이에 개재하는 알루미늄 합금판으로 이루어지는 방열측 접합 심재를 또한 갖고, 상기 제 2 층의 두께를 t1 (㎜), 상기 제 2 층의 접합 면적을 A1 (㎟), 상기 제 2 층의 내력을 σ1 (N/㎟) 로 하고, 상기 히트 싱크의 두께를 t2 (㎜), 상기 히트 싱크의 접합 면적을 A2 (㎟), 상기 히트 싱크의 내력을 σ2 (N/㎟) 로 하고, 상기 방열측 접합 심재의 두께를 t4 (㎜), 상기 방열측 접합 심재와 상기 금속층의 접합 면적을 A4 (㎟), 상기 방열측 접합 심재의 내력을 σ4 (N/㎟) 로 했을 때에, 비율 (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2＋t4×A4×σ4) 를 0.85 이상 1.40 이하로 해도 된다.
또, 본 발명의 파워 모듈용 기판 유닛에 있어서, 상기 회로층은, 상기 제 1 층과 상기 제 2 층의 사이에 개재하는 알루미늄 합금판으로 이루어지는 회로측 접합 심재와, 상기 금속층과 상기 히트 싱크의 사이에 개재하는 알루미늄 합금판으로 이루어지는 방열측 접합 심재를 또한 갖고, 상기 제 2 층의 두께를 t1 (㎜), 상기 제 2 층의 접합 면적을 A1 (㎟), 상기 제 2 층의 내력을 σ1 (N/㎟) 로 하고, 상기 히트 싱크의 두께를 t2 (㎜), 상기 히트 싱크의 접합 면적을 A2 (㎟), 상기 히트 싱크의 내력을 σ2 (N/㎟) 로 하고, 상기 회로측 접합 심재의 두께를 t3 (㎜), 상기 제 1 층과 상기 회로측 접합 심재의 접합 면적을 A3 (㎟), 상기 회로측 접합 심재의 내력을 σ3 (N/㎟) 으로 하고, 상기 방열측 접합 심재의 두께를 t4 (㎜), 상기 금속층과 상기 방열측 접합 심재의 접합 면적을 A4 (㎟), 상기 방열측 접합 심재의 내력을 σ4 (N/㎟) 로 했을 때에, 비율 (t1×A1×σ1＋t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2＋t4×A4×σ4) 를 0.85 이상 1.40 이하로 해도 된다.
본 발명에 관련된 파워 모듈용 기판 유닛에 있어서, 상기 파워 모듈용 기판의 상기 회로층은, 서로 분리된 복수의 소회로층에 의해 형성되어 있어도 된다.
또, 본 발명에 관련된 파워 모듈용 기판 유닛은, 상기 파워 모듈용 기판을 복수 구비해도 된다.
본 발명의 파워 모듈은, 상기 파워 모듈용 기판 유닛과, 상기 회로층의 표면 상에 탑재된 반도체 소자를 구비한다.
본 발명에 의하면, 가열시의 휨 저감에 의해, 솔더링 등으로 반도체 소자를 실장하는 공정에서의 문제를 해소할 수 있으며, 온도 사이클시의 휨도 작아지기 때문에, 절연 기판으로서의 신뢰성도 향상된다. 또, 회로층에 고강성 부재를 사용함으로써, 회로층의 변형이 억제되고, 반도체 소자의 접속 신뢰성도 양호하다.
도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 유닛의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 2 는, 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 유닛의 제조에 사용하는 가압 장치의 정면도이다.
도 3 은, 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 유닛의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 4 는, 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 유닛의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 5 는, 본 발명의 제 4 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 유닛의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 6 은, 본 발명의 제 5 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 유닛의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 7 은, 본 발명의 제 6 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 유닛의 단면도이다.
도 8 은, 본 발명의 제 7 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 유닛의 단면도이다.
도 9 은, 도 8 의 파워 모듈용 기판 유닛을 나타내는 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1(c) 에 나타내는 제 1 실시형태의 파워 모듈용 기판 유닛 (50) 은, 파워 모듈용 기판 (10) 과 히트 싱크 (20) 를 구비하고 있다. 이 파워 모듈용 기판 유닛 (50) 의 표면에 반도체 칩 등의 반도체 소자 (30) 가 탑재됨으로써, 파워 모듈 (100) 이 제조된다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 세라믹스 기판 (11) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 브레이징에 의해 접합된 회로층 (12) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 브레이징에 의해 접합된 금속층 (13) 을 구비한다. 그리고, 이 파워 모듈용 기판 (10) 의 회로층 (12) 의 표면에 반도체 소자 (30) 가 솔더링되고, 금속층 (13) 의 표면에 히트 싱크 (20) 가 브레이징된다.
세라믹스 기판 (11) 은, 예를 들어 AlN (질화알루미늄), Si3N4 (질화규소) 등의 질화물계 세라믹스, 혹은 Al2O3 (알루미나) 등의 산화물계 세라믹스를 사용할 수 있다. 또, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정할 수 있다.
회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 표면에 접합되는 제 1 층 (15) 과, 제 1 층 (15) 상에 접합된 제 2 층 (16) 의 적층 구조로 되어 있다. 제 1 층 (15) 은, 순도 99.99 질량％ 이상의 알루미늄판 (JIS 규격에서는 1N99 (순도 99.99 질량％ 이상：소위 4N 알루미늄) 의 순알루미늄판) 이 사용된다. 제 2 층 (16) 은, 순도가 99.90 질량％ 미만인 알루미늄판 (JIS 규격에서는, 순도 99.0 질량％ 이상의 소위 2N 알루미늄 (예를 들어, A1050 등) 의 순알루미늄판이나, A3003, A6063, A5052 등의 알루미늄 합금판) 을 사용할 수 있다. 제 1 층 (15) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 2.5 ㎜ 이하, 제 2 층 (16) 의 두께 (t1) 는 0.5 ㎜ 이상 5.0 ㎜ 이하이다.
금속층 (13) 은, 회로층 (12) 의 제 1 층 (15) 과 마찬가지로, 순도 99.99 질량％ 이상 (JIS 규격에서는 1N99 (순도 99.99 질량％ 이상：소위 4N 알루미늄)) 의 알루미늄판이 사용되며, 두께가 0.1 ㎜ 이상 2.5 ㎜ 미만으로 형성된다.
파워 모듈용 기판 (10) 에 접합되는 히트 싱크 (20) 의 재질로는, 순도가 99.90 질량％ 이하의 알루미늄판 (JIS 규격에서는, 1N90 (순도 99.90 질량％ 이상의 소위 3N 알루미늄) 이나 순도 99.0 질량％ 이상의 소위 2N 알루미늄 (예를 들어, A1050 등) 의 순알루미늄판, A3003, A6063, A5052 등의 알루미늄 합금판) 을 사용할 수 있다.
히트 싱크 (20) 의 형상으로는, 평판형상의 것, 열간 단조 등에 의해 다수의 핀형상 핀을 일체로 형성한 것, 압출 성형에 의해 상호 평행한 띠형상 핀을 일체로 형성한 것 등, 적절한 형상의 것을 채용할 수 있다. 히트 싱크 (20) 는, 내부를 냉매가 유통하는 냉각기의 부품으로서, 냉각기를 구성하는 다른 부품에 나사 고정 등에 의해 장착되어 사용된다. 특히, 휨을 억제하는 효과가 큰 평판형상의 것이나, 다수의 핀형상의 핀을 일체로 성형한 것을 히트 싱크 (20) 로서 사용하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, 평판형상의 히트 싱크 (20) 를 사용하고 있다.
이 히트 싱크 (20) 와 회로층 (12) 의 제 2 층 (16) 은, 제 2 층 (16) 의 두께를 t1, 제 2 층 (16) 의 제 1 층 (15) 에 대한 접합 면적을 A1, 제 2 층 (16) 의 내력을 σ1 로 하고, 히트 싱크 (20) 의 두께를 t2, 히트 싱크 (20) 에 대한 금속층 (13) 의 접합 면적을 A2, 히트 싱크 (20) 의 내력을 σ2 로 했을 때에, 비율 (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2) 가 0.85 이상 1.40 이하가 되는 관계로 설정된다.
예를 들어, 제 2 층 (16) 이 두께 (t1) = 1.5 ㎜ 의 A3003 알루미늄 합금 (내력 σ1 = 40 N/㎟) 에서 제 1 층 (15) 과 제 2 층 (16) 의 접합 면적 (A1) 이 900 ㎟ 가 되고, 히트 싱크 (20) 가 두께 (t2) = 1.0 ㎜ 의 A6063 알루미늄 합금 (내력 σ2 = 50 N/㎟) 에서 금속층 (13) 과 히트 싱크 (20) 의 접합 면적 (A2) 이 1000 ㎟ 가 되는 조합의 경우, 비율 (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2) = 1.08 이 된다. 또한, 본 발명에 있어서의 내력의 값은 실온 (25 ℃) 시의 값이다.
다음으로, 이와 같이 구성되는 파워 모듈용 기판 유닛 (50) 을 제조하는 방법에 대하여 설명한다. 이 파워 모듈용 기판 유닛 (50) 은, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 중 제 1 층 (15) 및 금속층 (13) 을 접합 (제 1 접합 공정) 한 후, 제 1 층 (15) 상에 제 2 층 (16), 금속층 (13) 에 히트 싱크 (20) 를 각각 접합 (제 2 접합 공정) 함으로써 제조된다. 이하, 이 공정순으로 설명한다.
(제 1 접합 공정)
먼저, 도 1(a) 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 회로층 (12) 중 제 1 층 (15) 이 되는 제 1 층 알루미늄판 (15a) 을 적층하고, 타방의 면에 금속층 (13) 이 되는 금속층 알루미늄판 (13a) 을 적층하여, 이들을 일체로 접합한다. 이들 접합에는, Al-Si 계 등의 합금의 브레이징재 (40) 가 사용된다. 이 브레이징재 (40) 는 박의 형태로 사용하면 된다.
이들 세라믹스 기판 (11) 과 제 1 층 알루미늄판 (15a) 및 금속층 알루미늄판 (13a) 을 도 1(a) 에 나타내는 바와 같이 브레이징재 (40) 를 개재시켜 적층하고, 이 적층체 (S) 를 도 2 에 나타내는 가압 장치 (110) 를 사용하여 적층 방향으로 가압한 상태로 한다.
이 가압 장치 (110) 는, 베이스판 (111) 과, 베이스판 (111) 의 상면의 네 모퉁이에 수직으로 설치된 가이드 포스트 (112) 와, 이들 가이드 포스트 (112) 의 상단부에 고정된 고정판 (113) 과, 이들 베이스판 (111) 과 고정판 (113) 의 사이에서 상하 자유롭게 이동할 수 있도록 가이드 포스트 (112) 에 지지된 압압판 (押壓板) (114) 과, 고정판 (113) 과 압압판 (114) 의 사이에 형성되어 압압판 (114) 을 하방으로 탄성 지지하는 스프링 등의 탄성 지지 수단 (115) 을 구비하고 있다.
고정판 (113) 및 압압판 (114) 은, 베이스판 (111) 에 대해 평행하게 배치되어 있고, 베이스판 (111) 과 압압판 (114) 의 사이에 전술한 적층체 (S) 가 배치된다. 적층체 (S) 의 양면에는 가압을 균일하게 하기 위해서 카본 시트 (116) 가 배치 형성된다.
이 가압 장치 (110) 에 의해 가압한 상태에서, 가압 장치 (110) 째 도시 생략한 가열로 내에 설치하고, 진공 분위기하에서 브레이징 온도로 가열하여 브레이징한다. 이 경우의 가압력으로는 예를 들어 0.68 ㎫ (7 kgf/㎠), 가열 온도로는 예를 들어 640 ℃ 가 된다.
(제 2 접합 공정)
도 1(b) 에 나타내는 바와 같이, 제 1 접합 공정에 의해 얻어진 접합체 (60) 에 있어서의 회로층 (12) 의 제 1 층 (15) 에, 브레이징재 (40) 를 개재시켜 제 2 층 (16) 이 되는 제 2 층 알루미늄판 (16a) 을 적층하고, 금속층 (13) 에 브레이징재 (40) 를 개재시켜 히트 싱크 (20) 를 적층한다. 이들 브레이징재 (40) 는, Al-Si 계 등의 합금의 브레이징재가 박의 형태로 사용된다.
그리고, 이들 적층체를 도 2 와 동일한 가압 장치 (110) 를 사용하여 적층 방향으로 가압한 상태에서, 가압 장치 (110) 째 진공 분위기하에서 가열하여 제 2 층 (16) 및 히트 싱크 (20) 를 각각 브레이징한다. 이 경우의 가압력으로는 예를 들어 0.68 ㎫ (7 kgf/㎠), 가열 온도로는 예를 들어 615 ℃ 가 된다.
이와 같이 하여 제조된 파워 모듈용 기판 유닛 (50) 에, 도 1(c) 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (12) (제 2 층 (16)) 의 상면에 반도체 소자 (30) 가 솔더링에 의해 접합되고, 파워 모듈 (100) 이 제조된다.
상기와 같이 하여 제조되는 파워 모듈 (100) 에 있어서, 파워 모듈용 기판 유닛 (50) 은, 상기 서술한 바와 같이, 회로층 (12) 을 제 1 층 (15) 과 제 2 층 (16) 의 적층 구조로 하여, 강성이 높은, 즉 내력이 높은 히트 싱크 (20) 에 대해, 세라믹스 기판 (11) 의 반대측에 강성이 높은 제 2 층 알루미늄판 (16a) 으로 이루어지는 제 2 층 (16) 을 배치하고, 이들 히트 싱크 (20) 와 회로층 (12) 의 제 2 층 (16) 이 세라믹스 기판 (11) 을 중심으로 하여 대칭 구조로 하고 있으므로, 가열시 등에 세라믹스 기판 (11) 의 양면에 작용하는 응력에 치우침이 잘 발생하지 않고, 휨이 발생하기 어려워진다. 또, 세라믹스 기판 (11) 과 접합되는 제 1 층 (15) 으로서, 순도 99.99 질량％ 이상의 비교적 부드러운, 즉 내력이 낮은 제 1 층 알루미늄판 (15a) 을 배치하고 있으므로, 가열시 등에 세라믹스 기판 (11) 에 가해지는 열 응력을 저감시켜 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제 2 층 (16) 을 내력이 높은 99.0 질량％ 미만의 알루미늄판에 의해 구성한 경우에는, 제 2 층 (16) 의 두께를 얇게 할 수 있으므로, 열 저항을 증가시키는 일이 없어, 보다 바람직한 구성으로 할 수 있다.
또, 파워 모듈용 기판 유닛 (50) 은, 회로층 (12) 에 있어서의 제 2 층 (16) 의 두께를 t1, 제 1 층 (15) 과 제 2 층 (16) 의 접합 면적을 A1, 제 2 층 (16) 의 내력을 σ1 로 하고, 히트 싱크 (20) 의 두께를 t2, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (20) 의 접합 면적을 A2, 히트 싱크 (20) 의 내력을 σ2 로 했을 때에, 비율 (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2) 가 0.85 이상 1.40 이하의 범위로 설정함으로써, 반도체 소자 (30) 의 실장 공정시나 그 후의 사용 환경에 있어서의 온도 변화에 대해, 휨의 발생이 적어, 절연 기판으로서 장기적으로 높은 신뢰성을 갖고 있다.
파워 모듈용 기판 유닛 (50) 에서는, 이와 같이, 비율 (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2) 가 1.00 인 경우, 0.85 이상 1.00 미만인 경우, 1.00 을 초과하여 1.40 이하인 경우에 있어서, 양호하게 세라믹스 기판 (11) 을 중심으로 한 대칭 구조가 구성된다. 또, 파워 모듈용 기판 유닛 (50) 은, 회로층 (12) 중, 반도체 소자 (30) 가 솔더링되는 제 2 층 (16) 에 강성이 높은, 즉 내력이 높은 알루미늄판을 사용하고 있으므로, 회로층 (12) 의 변형도 억제된다.
반도체 소자 (30) 의 솔더링에는, 예를 들어 예를 들어 Sn-Sb 계, Sn-Ag 계, Sn-Cu 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 솔더링재가 사용되며, 275 ℃ ∼ 335 ℃ 로 가열함으로써 실시된다.
또한, 상기 서술한 제 1 실시형태에서는, 브레이징재로서 Al-Si 계 합금을 사용하여 진공 분위기 중에서 브레이징했지만, Al-Si-Mg 계, Al-Mg 계, Al-Ge 계, Al-Cu 계, 또는 Al-Mn 계 등의 브레이징재를 사용하는 것도 가능하다. Mg 를 함유하는 Al-Si-Mg 계, Al-Mg 계 합금의 브레이징재를 사용하여 브레이징하는 경우에는, 비산화성 분위기 중에서 브레이징할 수 있다.
도 3 은 제 2 실시형태의 파워 모듈용 기판 유닛 (51) 의 제조 방법을 나타내고 있다. 이 실시형태에 있어서 도 1 의 제 1 실시형태와 공통 요소에는 동일 부호를 붙이고 있다 (이하의 각 실시형태에 있어서도 동일).
이 파워 모듈용 기판 유닛 (51) 은, 파워 모듈용 기판 (17) 에 있어서의 회로층 (18) 의 제 1 층 (15) 과 제 2 층 (16) 의 사이가, 회로측 접합 심재 (41a) 의 양면에 브레이징재층 (42) 을 형성한 양면 브레이징 클래드재 (43a) 에 의해 접합되어 있다. 또, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (20) 의 사이도, 방열측 접합 심재 (41b) 의 양면에 브레이징재층 (42) 을 형성한 양면 브레이징 클래드재 (43b) 에 의해 접합되어 있다.
양면 브레이징 클래드재 (43a, 43b) 는, 회로측 접합 심재 (41a) 및 방열측 접합 심재 (41b) 가 두께 0.05 ㎜ ∼ 0.6 ㎜ 의 JIS 의 A3003 알루미늄 합금, 양면의 브레이징재층 (42) 이 Al-Si-Mg 계 합금으로 되어 있다.
이 제 2 실시형태의 파워 모듈용 기판 유닛 (51) 의 제조 방법을 설명한다. 먼저, 제 1 실시형태의 제 1 접합 공정과 마찬가지로, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 회로층 (18) 의 제 1 층 (15), 타방의 면에 금속층 (13) 을 각각 브레이징재 (40) (도 1(a) 참조) 를 사용한 브레이징에 의해 접합하는 제 1 접합 공정을 실시한다. 이 후에, 도 3(a) 에 나타내는 바와 같이, 제 1 층 (15) 상에 양면 브레이징 클래드재 (43a) 를 개재시켜 제 2 층 (16) 이 되는 제 2 층 알루미늄판 (16a) 을 적층함과 함께, 금속층 (13) 상에 양면 브레이징 클래드재 (43b) 를 개재시켜 히트 싱크 (20) 를 적층하고, 이들을 적층 방향으로 가압하여, 질소 분위기 등의 비산화성 분위기 중에서 가열하여 브레이징한다.
이와 같이 제조되는 제 2 실시형태의 파워 모듈용 기판 유닛 (51) 은, 도 3(b) 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (18) 의 제 1 층 (15) 과 제 2 층 (16) 의 사이에 얇은 알루미늄 합금층 (회로측 접합 심재 (41a)) 이 개재함과 함께, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (20) 의 사이에 얇은 알루미늄 합금층 (방열측 접합 심재 (41b)) 이 개재한 상태가 된다.
이 파워 모듈용 기판 유닛 (51) 에 있어서는, 회로층 (18) 에 있어서의 제 2 층 (16) 의 두께를 t1, 회로측 접합 심재 (41a) 에 대한 제 2 층 (16) 의 접합 면적을 A1, 제 2 층 (16) 의 내력을 σ1 로 하고, 히트 싱크 (20) 의 두께를 t2, 방열측 접합 심재 (41b) 에 대한 히트 싱크 (20) 의 접합 면적을 A2, 히트 싱크 (20) 의 재료의 내력을 σ2 로 하고, 회로측 접합 심재 (41a) 의 두께를 t3, 제 1 층 (15) 과 회로측 접합 심재 (41a) 의 접합 면적을 A3, 회로측 접합 심재 (41a) 의 내력을 σ3 으로 하고, 방열측 접합 심재 (41b) 의 두께를 t4, 금속층 (13) 과 방열측 접합 심재 (41b) 의 접합 면적을 A4, 방열측 접합 심재 (41b) 의 재료의 내력을 σ4 로 했을 때에, 비율 (t1×A1×σ1＋t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2＋t4×A4×σ4) 가 0.85 이상 1.40 이하가 된다.
이 파워 모듈용 기판 유닛 (51) 에서는, 이와 같이, 비율 (t1×A1×σ1＋t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2＋t4×A4×σ4) 가 1.00 인 경우, 0.85 이상 1.00 미만인 경우, 1.00 을 초과하여 1.40 이하인 경우에 있어서, 제 1 실시형태와 마찬가지로 양호하게 세라믹스 기판 (11) 을 중심으로 한 대칭 구조가 구성된다.
도 4 는 제 3 실시형태의 파워 모듈용 기판 유닛 (52) 의 제조 방법을 나타내고 있다. 이 파워 모듈용 기판 유닛 (52) 에 있어서, 회로층 (18) 은 제 2 실시형태와 마찬가지로, 제 1 층 (15) 과 제 2 층 (16) 의 사이가, 회로측 접합 심재 (41a) 의 양면에 브레이징재층 (42) 을 형성한 양면 브레이징 클래드재 (43a) 에 의해 접합되어 있다. 또, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (20) 의 사이는, 제 1 실시형태와 마찬가지로, Al-Si 계 등의 합금의 브레이징재 (45) 에 의해 접합되어 있다.
이 제 3 실시형태의 파워 모듈용 기판 유닛 (52) 의 제조 방법을 설명한다. 먼저, 제 1 실시형태의 제 1 접합 공정과 마찬가지로, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 회로층 (18) 의 제 1 층 (15), 타방의 면에 금속층 (13) 을 각각 브레이징재 (40) (도 1(a) 참조) 를 사용한 브레이징에 의해 접합하는 제 1 접합 공정을 실시한다. 이 후에, 도 4(a) 에 나타내는 바와 같이 제 1 층 (15) 상에 양면 브레이징 클래드재 (43a) 를 개재시켜 제 2 층 (16) 이 되는 제 2 층 알루미늄판 (16a) 을 적층함과 함께, 금속층 (13) 상에 Al-Si-Mg 계 합금으로 이루어지는 브레이징재 (45) 를 개재시켜 히트 싱크 (20) 를 적층하고, 이들을 적층 방향으로 가압하여, 질소 분위기 등의 비산화성 분위기 중에서 가열하여 브레이징한다.
이 파워 모듈용 기판 유닛 (52) 에서는, 도 4(b) 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (18) 의 제 1 층 (15) 과 제 2 층 (16) 의 사이에 얇은 알루미늄 합금층 (양면 브레이징 클래드재 (43a) 의 회로측 접합 심재 (41a)) 이 개재한 상태가 된다.
이 파워 모듈용 기판 유닛 (52) 에 있어서는, 회로층 (18) 에 있어서의 제 2 층 (16) 의 두께를 t1, 회로측 접합 심재 (41a) 에 대한 제 2 층 (16) 의 접합 면적을 A1, 제 2 층 (16) 의 내력을 σ1 로 하고, 히트 싱크 (20) 의 두께를 t2, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (20) 의 접합 면적을 A2, 히트 싱크 (20) 의 내력을 σ2 로 하고, 회로측 접합 심재 (41a) 의 두께를 t3, 회로측 접합 심재 (41a) 와 제 1 층 (15) 의 접합 면적을 A3, 회로측 접합 심재 (41a) 의 내력을 σ3 으로 했을 때에, 비율 (t1×A1×σ1＋t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2) 가 0.85 이상 1.40 이하가 된다.
이 파워 모듈용 기판 유닛 (52) 에서는, 이와 같이, 비율 (t1×A1×σ1＋t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2) 가 1.00 인 경우, 0.85 이상 1.00 미만인 경우, 1.00 을 초과하여 1.40 이하인 경우에 있어서, 제 1 실시형태와 마찬가지로 양호하게 세라믹스 기판 (11) 을 중심으로 한 대칭 구조가 구성된다.
도 5 는 제 4 실시형태의 파워 모듈용 기판 유닛 (53) 의 제조 방법을 나타내고 있다. 이 파워 모듈용 기판 유닛 (53) 에서는, 회로층 (12) 의 제 2 층 (16) 은, 제 2 층 알루미늄판 (16a) 의 편면에 Al-Si-Mg 계 합금으로 이루어지는 브레이징재층 (44) 이 적층된 클래드판 (19) 을 접합하여 이루어진다. 먼저, 제 1 실시형태의 제 1 접합 공정과 마찬가지로, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 회로층 (12) 의 제 1 층 (15), 타방의 면에 금속층 (13) 을 브레이징에 의해 접합하는 제 1 접합 공정 후에, 도 5(a) 에 나타내는 바와 같이 제 1 층 (15) 상에 브레이징재층 (44) 을 겹치도록 하여 클래드판 (19) 을 적층함과 함께, 금속층 (13) 상에 제 2 실시형태에서 사용한 방열측 접합 심재 (41b) 의 양면에 브레이징재층 (42) 을 형성한 양면 브레이징 클래드재 (43b) 를 개재시켜 히트 싱크 (20) 를 적층하고, 이들을 적층 방향으로 가압하여, 질소 분위기 등의 비산화성 분위기 중에서 가열하여 브레이징한다.
도 5(b) 에 나타내는 이 파워 모듈용 기판 유닛 (53) 에 있어서는, 회로층 (12) 에 있어서의 제 2 층 (16) 의 알루미늄판의 두께를 t1, 제 1 층 (15) 과 제 2 층 (16) 의 접합 면적을 A1, 제 2 층 (16) 의 내력을 σ1 로 하고, 히트 싱크 (20) 의 두께를 t2, 방열측 접합 심재 (41b) 와 히트 싱크 (20) 의 접합 면적을 A2, 히트 싱크 (20) 의 내력을 σ2 로 하고, 방열측 접합 심재 (41b) 의 두께를 t4, 금속층 (13) 과 방열측 접합 심재 (41b) 의 접합 면적을 A4, 방열측 접합 심재 (41b) 의 내력을 σ4 로 했을 때에, 비율 (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2＋t4×A4×σ4) 가 0.85 이상 1.40 이하가 된다.
이 파워 모듈용 기판 유닛 (53) 에서는, 이와 같이, 비율 (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2＋t4×A4×σ4) 가 1.00 인 경우, 0.85 이상 1.00 미만인 경우, 1.00 을 초과하여 1.40 이하인 경우에 있어서, 제 1 실시형태와 마찬가지로 양호하게 세라믹스 기판 (11) 을 중심으로 한 대칭 구조가 구성된다.
도 6 은 제 5 실시형태의 파워 모듈용 기판 유닛 (54) 의 제조 방법을 나타내고 있다. 이 파워 모듈용 기판 유닛 (54) 에서는, 회로층 (12) 의 제 1 층 (15) 과 제 2 층 (16) 이 미리 접합된 클래드재로서 제조되어 있다.
도 6(a) 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 클래드재의 회로층 (12) 을 Al-Si 계 합금으로 이루어지는 브레이징재 (40) 를 개재시켜 적층함과 함께, 타방의 면에 Al-Si 계 합금으로 이루어지는 브레이징재 (40) 를 개재시켜 금속층 (13) 을 적층하고, 이들을 진공 분위기하에서 가압한 상태로 가열하여 브레이징한다 (제 1 접합 공정). 이에 따라, 세라믹스 기판 (11) 의 양면에 회로층 (12) 과 금속층 (13) 이 접합된 파워 모듈용 기판 (10) 이 형성된다 (도 6(b)).
다음으로, 도 6(b) 에 나타내는 바와 같이, 얻어진 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 에 Al-Si-Mg 계 합금으로 이루어지는 브레이징재 (45) 를 개재시켜 히트 싱크 (20) 를 적층하고, 이들을 질소 분위기 등의 비산화 분위기하에서 가압한 상태로 가열하여 브레이징한다 (제 2 접합 공정).
도 6(c) 에 나타내는 이 파워 모듈용 기판 유닛 (54) 에 있어서는, 회로층 (12) 의 제 2 층 (16) 의 두께를 t1, 제 1 층 (15) 과 제 2 층 (16) 의 접합 면적을 A1, 제 2 층 (16) 의 내력을 σ1 로 하고, 히트 싱크 (20) 의 두께를 t2, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (20) 의 접합 면적을 A2, 히트 싱크 (20) 의 내력을 σ2 로 했을 때에, 비율 (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2) 가 0.85 이상 1.40 이하가 된다.
이 파워 모듈용 기판 유닛 (54) 에서는, 이와 같이, 비율 (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2) 가 1.00 인 경우, 0.85 이상 1.00 미만인 경우, 1.00 을 초과하여 1.40 이하인 경우에 있어서, 제 1 실시형태와 마찬가지로 양호하게 세라믹스 기판 (11) 을 중심으로 한 대칭 구조가 구성된다.
도 7 은 제 6 실시형태의 파워 모듈용 기판 유닛 (55) 을 나타내고 있다. 상기 제 1 내지 제 5 실시형태에 있어서는, 1 세트의 파워 모듈용 기판이 1 매의 히트 싱크에 접합된 형태를 나타냈지만, 도 7 에 나타내는 파워 모듈용 기판 유닛 (55) 과 같이, 복수의 파워 모듈용 기판 (10S) 이 1 매의 히트 싱크 (20) 에 접합되는 경우도 마찬가지로 본 발명을 적용할 수 있다. 이와 같이 하여 구성되는 파워 모듈용 기판 유닛 (55) 에 있어서는, 복수의 파워 모듈용 기판 (10S) 을 히트 싱크 (20) 상에 간격을 띄우고 접합함으로써, 기판의 고집적화를 도모할 수 있다.
이 파워 모듈용 기판 유닛 (55) 에 있어서는, 각 파워 모듈용 기판 (10S) 은, 제 1 층 (15) 및 제 2 층 (16) 을 적층하여 이루어지는 소회로층 (12S) 과, 소세라믹스 기판 (11S) 과, 소금속층 (13S) 을 적층하여 형성되어 있다. 제 2 층 (16) 의 두께를 t1, 제 1 층 (15) 과 제 2 층 (16) 의 접합 면적을 A1 (이 경우, 회로층 (12) 을 구성하는 각 소회로층 (12S) 에 있어서의 제 2 층 (16) 과 제 1 층 (15) 의 접합 면적의 총합을 A1 로 한다), 제 2 층 (16) 의 내력을 σ1 로 하고, 히트 싱크 (20) 의 두께를 t2, 복수의 소금속층 (13S) 에 의해 구성되는 금속층 (13) 과 히트 싱크 (20) 의 접합 면적을 A2 (이 경우, 각 소금속층 (13S) 의 히트 싱크 (20) 에 대한 접합 면적의 총합을 A2 로 한다), 히트 싱크 (20) 의 내력을 σ2 로 했을 때에, 비율 (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2) 가 0.85 이상 1.40 이하가 된다.
이 파워 모듈용 기판 유닛 (55) 에서는, 이와 같이, 비율 (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2) 가 1.00 인 경우, 0.85 이상 1.00 미만인 경우, 1.00 을 초과하여 1.40 이하인 경우에 있어서, 제 1 실시형태와 마찬가지로 양호하게 세라믹스 기판 (11) 을 중심으로 한 대칭 구조가 구성된다.
파워 모듈용 기판 유닛 (55) 과 같이 복수의 파워 모듈용 기판 (10S) 을 구비하는 경우에는, 각 접합 부분에 있어서, 제 2 층 (16) 의 강성 (두께 (t1) 와 접합 면적 (A1) 을 곱한 체적을 고려한 내력) 과 히트 싱크 (20) 의 강성 (두께 (t2) 와 접합 면적 (A2) 을 곱한 체적을 고려한 내력) 의 대칭성을 고려함으로써, 휨의 발생을 확실하게 방지할 수 있다.
도 8 및 도 9 는 제 7 실시형태의 파워 모듈용 기판 유닛 (56) 을 나타내고 있다. 이 파워 모듈용 기판 유닛 (56) 에 있어서는, 금속층 (13) 과 세라믹스 기판 (11) 은 1 매로 구성되어 있지만, 회로층 (12) 이, 세라믹스 기판 (11) 상에 면방향으로 간격을 띄우고 배치 형성된 복수의 소회로층 (12S) 에 의해 형성되어 있다. 이와 같이, 회로층 (12) 이, 분리된 복수의 소회로층 (12S) 에 의해 형성되어 있는 경우에 있어서도, 마찬가지로 본 발명을 적용할 수 있다. 이와 같이 하여 구성되는 파워 모듈용 기판 유닛 (56) 에 있어서는, 복수의 소회로층 (12S) 을 세라믹스 기판 (11) 상에 간격을 띄우고 접합함으로써 패턴화된 회로층 (12) 을 형성하고 있으므로, 제 6 실시형태의 파워 모듈용 기판 유닛 (55) 과 마찬가지로, 기판의 고집적화를 도모할 수 있다.
이 파워 모듈용 기판 유닛 (56) 에 있어서 각 소회로층 (12S) 은, 제 1 층 (15) 및 제 2 층 (16) 을 적층하여 형성되어 있다. 제 2 층 (16) 의 두께를 t1, 제 1 층 (15) 과 제 2 층 (16) 의 접합 면적을 A1 (이 경우, 회로층 (12) 을 구성하는 각 소회로층 (12S) 에 있어서의 제 2 층 (16) 과 제 1 층 (15) 의 접합 면적의 총합을 A1 로 한다), 제 2 층 (16) 의 내력을 σ1 로 하고, 히트 싱크 (20) 의 두께를 t2, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (20) 의 접합 면적을 A2, 히트 싱크 (20) 의 내력을 σ2 로 했을 때에, 비율 (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2) 가 0.85 이상 1.40 이하가 된다.
이 파워 모듈용 기판 유닛 (56) 에서는, 이와 같이, 비율 (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2) 가 1.00 인 경우, 0.85 이상 1.00 미만인 경우, 1.00 을 초과하여 1.40 이하인 경우에 있어서, 제 1 실시형태와 마찬가지로 양호하게 세라믹스 기판 (11) 을 중심으로 한 대칭 구조가 구성된다.
파워 모듈용 기판 유닛 (56) 과 같이 서로 분리된 복수의 소회로층 (12S) 에 의해 회로층 (12) 이 형성되어 있는 경우, 세라믹스 기판 (11) 에 접합되는 회로층 (12) 과 금속층 (13) 은 형상이 상이하지만, 그들의 접합 부분에 있어서, 제 2 층 (16) 의 강성 (두께 (t1) 와 접합 면적 (A1) 을 곱한 체적을 고려한 내력) 과 히트 싱크 (20) 의 강성 (두께 (t2) 와 접합 면적 (A2) 을 곱한 체적을 고려한 내력) 의 대칭성을 고려함으로써, 휨의 발생을 확실하게 방지할 수 있다.
실시예
다음으로, 본 발명의 효과를 확인하기 위해서 실시한 실시예에 대하여 설명한다. 발명예 1 ∼ 18 로서, 두께 0.635 ㎜ 의 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판과, 두께 0.6 ㎜ 의 4N-Al 로 이루어지는 제 1 층 및 금속층을 준비함과 함께, 회로층의 제 2 층 및 히트 싱크에 대해 표 1 에 나타내는 두께, 접합 면적, 알루미늄 순도, 내력의 것을 준비하였다. 또한, 히트 싱크는 평판형상이며, 전체의 평면 사이즈는 60 ㎜ × 50 ㎜ 로 하였다.
이들을 제 1 실시형태 내지 제 5 실시형태에서 서술한 각 접합 방법에 의해 접합하여, 파워 모듈용 기판 유닛을 제조하였다. 표 1 의 실시형태 (접합 방법) 는, 각 시료가 어느 실시형태의 제조 방법으로 제조되었는지를 나타내고 있다. 또, 종래예 1 로서, 제 1 실시형태에서 서술한 접합 방법에 있어서 회로층의 제 2 층을 접합하지 않고, 제 2 층이 형성되어 있지 않은 파워 모듈용 기판 유닛을 제조하였다.
또한, 표 1 의 「비율」 은, 실시형태 (접합 방법) 가 1 인 경우 및 5 인 경우에는 (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2) 를, 2 인 경우에는 (t1×A1×σ1＋t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2＋t4×A4×σ4) 를, 3 인 경우에는 (t1×A1×σ1＋t3×A2×σ3)/(t2×A2×σ2) 를, 4 인 경우에는 (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2＋t4×A4×σ4) 를 나타낸다.
그리고, 얻어진 각 시료에 대해, 접합 후의 상온 (25 ℃) 시에 있어서의 휨량 (초기 휨), 280 ℃ 가열시의 휨량 (가열시 휨) 을 각각 측정하였다. 휨량은, 히트 싱크의 배면의 평면도의 변화를, 무아레식 삼차원 형상 측정기를 사용하여 측정하여 평가하고, 회로층측으로 볼록 형상으로 휜 경우를 정 (正) 의 휨량 (＋), 회로층측으로 오목 형상으로 휜 경우를 부 (負) 의 휨량 (―) 으로 하였다. 표 1 에 결과를 나타낸다.
Figure 112016096334567-pct00001
표 1 로부터 알 수 있는 바와 같이, 회로층에 순도 99.90 질량％ 미만의 알루미늄판으로 이루어지는 제 2 층을 적층하지 않은 종래예 1 에서는, 상온시 및 가열시에 있어서의 휨이 커지는 것이 확인되었다. 이에 반해, 회로층에 순도 99.90 질량％ 미만의 알루미늄판으로 이루어지는 제 2 층을 적층한 발명예 1 ∼ 18 에서는, 상온시 및 가열시에 있어서의 휨이 작은 파워 모듈용 기판 유닛이 얻어지는 것이 확인되었다.
또한, (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2), (t1×A1×σ1＋t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2＋t4×A4×σ4), 또는 (t1×A1×σ1＋t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2), (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2＋t4×A4×σ4) 가 0.85 이상 1.40 이하의 범위 내의 발명예 1 ∼ 14 에서는, 휨량을 더욱 작게 할 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 이 파워 모듈용 기판 유닛은, 반도체 소자의 솔더링시, 혹은 그 후의 사용 환경에 있어서 고온에 노출되어도 휨의 발생이 적고, 신뢰성을 장기적으로 유지할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지 변경을 더하는 것이 가능하다. 예를 들어, 상기 각 실시형태에서는 평판형상의 히트 싱크를 사용했지만, 금속층이 접합되는 평판부에 다수의 핀형상 핀이나 띠형상 핀이 형성된 형상의 히트 싱크를 사용해도 된다. 이 경우, 평판부의 두께를 히트 싱크의 두께 (t2) 로 한다.
산업상 이용가능성
히트 싱크와의 접합 후의 초기 휨 뿐만 아니라, 반도체 소자의 실장 공정시나 사용 환경에 있어서도 휨이 적은 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판 유닛 및 파워 모듈을 실현할 수 있다.
10 : 파워 모듈용 기판 유닛
11 : 세라믹스 기판
11S : 소세라믹스 기판
12 : 회로층
12S : 소회로층
13 : 금속층
13S : 소금속층
13a : 금속층 알루미늄판
15 : 제 1 층
15a : 제 1 층 알루미늄판
16 : 제 2 층
16a : 제 2 층 알루미늄판
17 : 파워 모듈용 기판
18 : 회로층
19 : 클래드판
20 : 히트 싱크
30 : 반도체 소자
40 : 브레이징재
41a : 회로측 접합 심재
41b : 방열측 접합 심재
42 : 브레이징재층
43a, 43b : 양면 브레이징 클래드재
44 : 브레이징재층
45 : 브레이징재
50 ∼ 56 : 파워 모듈용 기판 유닛
60 : 접합체
110 : 가압 장치

Claims (8)

  1. 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층이 접합됨과 함께, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 금속층을 개재하여 히트 싱크가 접합되어 이루어지고, 상기 금속층이 순도 99.99 질량％ 이상의 알루미늄판이고, 상기 히트 싱크가 순도 99.90 질량％ 이하의 알루미늄판이고, 상기 회로층이, 세라믹스 기판에 접합된 순도 99.99 질량％ 이상의 알루미늄판으로 이루어지는 제 1 층과, 그 제 1 층의 표면에 접합된 순도 99.90 질량％ 미만의 알루미늄판으로 이루어지는 제 2 층의 적층 구조로 되어 있고,
    상기 제 2 층의 두께를 t1 (㎜), 상기 제 2 층의 접합 면적을 A1 (㎟), 상기 제 2 층의 내력을 σ1 (N/㎟) 로 하고, 상기 히트 싱크의 두께를 t2 (㎜), 상기 히트 싱크의 접합 면적을 A2 (㎟), 상기 히트 싱크의 내력을 σ2 (N/㎟) 로 했을 때에, 비율 (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2) 가 0.85 이상 1.40 이하인, 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판.
  2. 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층이 접합됨과 함께, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 금속층을 개재하여 히트 싱크가 접합되어 이루어지고, 상기 금속층이 순도 99.99 질량％ 이상의 알루미늄판이고, 상기 히트 싱크가 순도 99.90 질량％ 이하의 알루미늄판이고, 상기 회로층이, 세라믹스 기판에 접합된 순도 99.99 질량％ 이상의 알루미늄판으로 이루어지는 제 1 층과, 그 제 1 층의 표면에 접합된 순도 99.90 질량％ 미만의 알루미늄판으로 이루어지는 제 2 층의 적층 구조로 되어 있고,
    상기 회로층은, 상기 제 1 층과 상기 제 2 층의 사이에 추가로 알루미늄 합금판으로 이루어지는 회로측 접합 심재가 개재되어 있고, 상기 제 2 층의 두께를 t1 (㎜), 상기 제 2 층의 접합 면적을 A1 (㎟), 상기 제 2 층의 내력을 σ1 (N/㎟) 로 하고, 상기 히트 싱크의 두께를 t2 (㎜), 상기 히트 싱크의 접합 면적을 A2 (㎟), 상기 히트 싱크의 내력을 σ2 (N/㎟) 로 하고, 상기 회로측 접합 심재의 두께를 t3 (㎜), 상기 회로측 접합 심재와 상기 제 1 층의 접합 면적을 A3 (㎟), 상기 회로측 접합 심재의 내력을 σ3 (N/㎟) 으로 했을 때에, 비율 (t1×A1×σ1＋t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2) 가 0.85 이상 1.40 이하인, 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판.
  3. 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층이 접합됨과 함께, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 금속층을 개재하여 히트 싱크가 접합되어 이루어지고, 상기 금속층이 순도 99.99 질량％ 이상의 알루미늄판이고, 상기 히트 싱크가 순도 99.90 질량％ 이하의 알루미늄판이고, 상기 회로층이, 세라믹스 기판에 접합된 순도 99.99 질량％ 이상의 알루미늄판으로 이루어지는 제 1 층과, 그 제 1 층의 표면에 접합된 순도 99.90 질량％ 미만의 알루미늄판으로 이루어지는 제 2 층의 적층 구조로 되어 있고,
    상기 금속층과 상기 히트 싱크의 사이에 추가로 알루미늄 합금판으로 이루어지는 방열측 접합 심재가 개재되어 있고, 상기 제 2 층의 두께를 t1 (㎜), 상기 제 2 층의 접합 면적을 A1 (㎟), 상기 제 2 층의 내력을 σ1 (N/㎟) 로 하고, 상기 히트 싱크의 두께를 t2 (㎜), 상기 히트 싱크의 접합 면적을 A2 (㎟), 상기 히트 싱크의 내력을 σ2 (N/㎟) 로 하고, 상기 방열측 접합 심재의 두께를 t4 (㎜), 상기 방열측 접합 심재와 상기 금속층의 접합 면적을 A4 (㎟), 상기 방열측 접합 심재의 내력을 σ4 (N/㎟) 로 했을 때에, 비율 (t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2＋t4×A4×σ4) 가 0.85 이상 1.40 이하인, 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판.
  4. 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층이 접합됨과 함께, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 금속층을 개재하여 히트 싱크가 접합되어 이루어지고, 상기 금속층이 순도 99.99 질량％ 이상의 알루미늄판이고, 상기 히트 싱크가 순도 99.90 질량％ 이하의 알루미늄판이고, 상기 회로층이, 세라믹스 기판에 접합된 순도 99.99 질량％ 이상의 알루미늄판으로 이루어지는 제 1 층과, 그 제 1 층의 표면에 접합된 순도 99.90 질량％ 미만의 알루미늄판으로 이루어지는 제 2 층의 적층 구조로 되어 있고,
    상기 회로층은, 상기 제 1 층과 상기 제 2 층의 사이에 알루미늄 합금판으로 이루어지는 회로측 접합 심재가 개재됨과 함께, 상기 금속층과 상기 히트 싱크의 사이에 알루미늄 합금판으로 이루어지는 방열측 접합 심재가 개재되어 있고, 상기 제 2 층의 두께를 t1 (㎜), 상기 제 2 층의 접합 면적을 A1 (㎟), 상기 제 2 층의 내력을 σ1 (N/㎟) 로 하고, 상기 히트 싱크의 두께를 t2 (㎜), 상기 히트 싱크의 접합 면적을 A2 (㎟), 상기 히트 싱크의 내력을 σ2 (N/㎟) 로 하고, 상기 회로측 접합 심재의 두께를 t3 (㎜), 상기 회로측 접합 심재와 상기 제 1 층의 접합 면적을 A3 (㎟), 상기 회로측 접합 심재의 내력을 σ3 (N/㎟) 으로 하고, 상기 방열측 접합 심재의 두께를 t4 (㎜), 상기 방열측 접합 심재와 상기 금속층의 접합 면적을 A4 (㎟), 상기 방열측 접합 심재의 내력을 σ4 (N/㎟) 로 했을 때에, 비율 (t1×A1×σ1＋t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2＋t4×A4×σ4) 가 0.85 이상 1.40 이하인, 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판과, 상기 회로층의 표면 상에 탑재된 반도체 소자를 구비하는, 파워 모듈.
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