KR101983420B1 - 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트 및 접합체의 접합 방법 - Google Patents

파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트 및 접합체의 접합 방법 Download PDF

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Abstract

이 파워 모듈용 기판 (10) 은, 절연층 (11) 의 일방의 면에 회로층 (12) 이 형성되고, 절연층 (11) 의 타방의 면에 금속층 (13) 이 형성되어 있고, 이 금속층 (13) 의 타방의 면에 플럭스를 사용하여 피접합체가 접합되는 파워 모듈용 기판 (10) 으로서, 절연층 (11) 과 금속층 (13) 의 접합면의 둘레 가장자리부에는, 산화물과 수지를 함유하는 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 이 형성되어 있다.

Description

파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트 및 접합체의 접합 방법 {POWER MODULE SUBSTRATE, SUBSTRATE FOR POWER MODULE WITH HEAT SINK, POWER MODULE, PASTE FOR FORMING FLUX COMPONENT PENETRATION PREVENTION LAYER, AND BONDING METHOD FOR ARTICLE TO BE BONDED}
본 발명은, 절연층의 일방의 면에 회로층이 형성되고, 상기 절연층의 타방의 면에 금속층이 형성되어 있고, 이 금속층의 타방의 면에 플럭스를 사용하여 피접합체가 접합되는 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈용 기판을 구비한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 플럭스 성분이 접합면에 침입하는 것을 억제하기 위한 플럭스 성분 침입 방지층을 형성할 때에 사용되는 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트, 및 이 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트를 사용한 접합체의 접합 방법에 관한 것이다.
본원은, 2011년 12월 12일에 일본에서 출원된 일본 특허출원 2011-271081호, 및 2011년 12월 12일에 일본에서 출원된 일본 특허출원 2011-271146호에 기초하여 우선권을 주장하며, 그것들의 내용을 여기에 원용한다.
상기 서술한 파워 모듈용 기판 및 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판으로는, 예를 들어 특허문헌 1 에 기재되어 있는 바와 같이, AlN (질화알루미늄) 으로 이루어지는 세라믹스 기판의 양면에 Al (알루미늄) 의 금속판 (회로층 및 금속층) 이 접합된 파워 모듈용 기판과, 알루미늄으로 이루어지는 히트 싱크가 납 (蠟) 땜에 의해 접합된 것이 제안되어 있다.
특허문헌 2 에는, 세라믹스재로 이루어지는 절연 기판의 양면에 Al (알루미늄) 의 금속판 (상부 전극 및 하부 전극) 이 접합되어 있고, 상부 전극에 반도체 소자가 접합된 반도체 모듈과 알루미늄으로 이루어지는 냉각기의 천판이 플럭스를 사용한 납땜에 의해 접합된 반도체 모듈의 냉각 장치가 제안되어 있다.
특허문헌 3 에는, 파워 모듈에 있어서의 절연 적층재의 납땜 방법이 개시되어 있다. 이 방법에서는, 보론나이트라이드 또는 카본의 분말을 유기 화합물로 이루어지는 분산매에 분산시켜 현탁액을 만들고, 이 현탁액을 알루미늄제의 전열층의 둘레면에 도포함으로써, 플럭스 침입 방지물을 전열층의 둘레면에 부착시킨다. 이 상태에서, 상기 전열층과 응력 완화 부재를 플럭스를 사용하여 납땜함으로써, 용융된 플럭스가 금속층의 둘레면을 따라 절연판과 금속층의 계면에 침입하는 것을 방지한다.
플럭스를 사용한 납땜으로는, 예를 들어 특허문헌 4, 5 에 기재되어 있는 바와 같이, KAlF4 를 주성분으로 하는 플럭스를 사용한 노코록 납땜이 알려져 있다.
이 노코록 납땜은, 주로 알루미늄 부재끼리를 접합하는 기술로서, 예를 들어 Al-Si 계 납재 (蠟材) 박과 KAlF4 를 주성분으로 하는 플럭스를 알루미늄 부재끼리의 사이에 배치하고, 플럭스에 의해 알루미늄 부재의 표면에 형성된 산화막을 제거함과 함께, 납재의 용융을 촉진시켜 접합한다.
일본 공개특허공보 2007-194256호 일본 공개특허공보 2009-105166호 일본 공개특허공보 2011-228563호 일본 공개특허공보 2001-012887호 일본 공개특허공보 2010-138955호
그런데, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크를 노코록 납땜으로 접합하는 경우에는, 플럭스 성분인 KAlF4 가 파워 모듈용 기판의 세라믹스판과 금속판의 접합면에 침입하여, 세라믹스판과 금속판 사이의 접합 신뢰성이 저하될 우려가 있었다.
특히 히트 싱크가 형성된 파워 모듈 기판에 있어서는, 세라믹스 기판과 금속판의 접합면과, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크의 계면 사이가 금속층만으로 가로막혀, 양자가 근접하고 있는 점에서, 플럭스 성분이 파워 모듈용 기판의 세라믹스판과 금속판의 접합면에 침입하기 쉬운 경향이 있다.
또한, 플럭스 성분이 세라믹스 기판을 넘어 회로층에까지 도달하는 경우에는, 회로층과 금속층의 절연성이 저하되어, 파워 모듈용 기판으로서 사용할 수 없게 될 우려가 있었다.
그 때문에, 특허문헌 2 에서는, 세라믹스판과 금속판의 접합 단부에 붕소나 산화티탄 등으로 구성된 접촉 방지재 (플럭스 침입 방지층) 를 도포하는 것이 제안되어 있다.
그러나, 이 플럭스 침입 방지층은 파워 모듈용 기판과 히트 싱크의 접합 전에 미리 도포할 필요가 있는데, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크의 접합 공정에 이르기까지는, 공장 간의 수송, 공장 내의 반송, 접합 지그로의 세팅 등의 공정을 거칠 필요가 있어, 그러한 공정을 거쳐도 플럭스 침입 방지층을 확실하게 부착시켜 둘 필요가 있다.
본 발명의 제 1 양태는, 절연층과 금속층의 접합면의 둘레 가장자리부에 플럭스 침입 방지층을 확실하게 부착시켜 둘 수 있어, 플럭스를 사용하여 피접합재를 접합한 경우에도, 절연층과 금속층의 접합 신뢰성이 저하되는 것을 억제할 수 있는 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 다른 양태는, 플럭스 성분 침입 방지층을 확실하게 형성할 수 있어, 접합체와 피접합체를 양호하게 접합할 수 있는 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트 및 접합체의 접합 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 제 1 양태의 파워 모듈용 기판은, 절연층의 일방의 면에 회로층이 형성되고, 상기 절연층의 타방의 면에 금속층이 형성되어 있고, 이 금속층의 타방의 면에 플럭스를 사용하여 피접합체가 접합되는 파워 모듈용 기판으로서, 상기 절연층과 상기 금속층의 접합면의 둘레 가장자리부에는, 산화물과 수지를 함유하는 플럭스 성분 침입 방지층이 형성되어 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 의하면, 상기 절연층과 상기 금속층의 접합면의 둘레 가장자리부에 산화물과 수지를 함유하는 플럭스 성분 침입 방지층이 형성되어 있으므로, 금속층의 타방의 면에 플럭스를 사용하여 피접합체를 접합할 때에 플럭스 성분이 상기 절연층측으로 이동해 와도, 플럭스 성분이 상기 산화물에 접촉하여 분해되기 때문에, 상기 절연층과 상기 금속층의 접합면에 플럭스 성분이 진입하는 것을 억제할 수 있다. 이것은, 플럭스 성분 침입 방지층에 함유되는 산화물과 플럭스 성분이 반응함으로써, 플럭스 성분이 분해되어, 플럭스로서의 활성을 잃는 것에 의한 것으로 생각된다.
또, 플럭스 성분 침입 방지층이 수지를 함유하고 있으므로, 수송, 반송 또는 세팅 등에서 진동이 발생하였다 하더라도, 플럭스 성분 침입 방지층을 상기 절연층과 상기 금속층의 접합면의 둘레 가장자리부에 형상을 유지한 채로 확실하게 부착시켜 둘 수 있다.
피접합체를 접합하였을 때에는, 그 열에 의해 플럭스 성분 침입 방지층 내의 수지가 분해되기 때문에, 피접합체를 접합한 후의 파워 모듈용 기판에 있어서의 플럭스 성분 침입 방지층은, 대부분이 산화물로 구성된다.
상기 플럭스 성분 침입 방지층의 조성은, 상기 산화물을 5 체적％ 이상 60 체적％ 이하의 범위 내에서 함유하고, 잔부가 상기 수지로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 산화물의 함유량이 5 체적％ 이상으로 되어 있으므로, 납땜을 실시할 때에 상기 플럭스 성분 침입 방지층에 접촉한 플럭스 성분을 확실하게 분해할 수 있어, 상기 절연층과 상기 금속층의 접합면에 플럭스 성분이 진입하는 것을 확실하게 억제할 수 있다. 산화물의 함유량이 60 체적％ 이하로 되어 있으므로, 플럭스 성분 침입 방지층 내의 수지의 함유량이 확보되어, 수지에 의해 부착력을 높여 플럭스 성분 침입 방지층이 탈락하는 것을 방지할 수 있다.
상기 플럭스 성분 침입 방지층은, 필릿 형상을 이루고 있는 것이 바람직하다. 필릿 형상이란, 2 개의 교차하는 면을 오목 곡면으로 매끄럽게 연결한 스커트 형상을 말한다.
이 경우, 절연층의 타방의 면 및 금속층의 측면에 각각 연장되도록 플럭스 성분 침입 방지층이 형성되게 되어, 상기 절연층과 상기 금속층의 접합면에 플럭스 성분이 진입하는 것을 확실하게 억제할 수 있다. 또, 플럭스 성분 침입 방지층에 의한 피복 면적의 크기에 비해, 플럭스 성분 침입 방지층의 체적을 플럭스 분해 효과를 얻는 데에 있어서 필요 충분한 정도로 작게 할 수 있다.
상기 산화물은, TiO2, SiO2, Al2O3 중 어느 1 종 또는 2 종 이상으로 되어 있는 것이 바람직하다. 이들 산화물은, 납땜이 실시되는 온도 범위에 있어서, 플럭스 성분과 반응함으로써 플럭스 성분을 산화 반응 등에 의해 분해하여, 플럭스를 실활시킬 수 있다. 특히, 노코록 납땜에서 사용되는 KAlF4 를 주성분으로 하는 플럭스를 확실하게 분해하는 것이 가능해진다.
상기 수지로는, 아크릴 수지, 셀룰로오스 수지, 부티랄 수지 등을 사용할 수 있으며, 특히 아크릴 수지인 것이 바람직하다. 아크릴 수지는, 납땜이 실시되는 온도 범위로 가열되었을 때에 해중합을 일으키기 때문에, 불활성 가스 분위기하에서도 양호한 열분해 특성을 갖게 되고, 소성 후의 플럭스 성분 침입 방지층 내에 수지가 잔존하는 것을 억제할 수 있다.
본 발명의 다른 양태의 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판은, 상기 서술한 파워 모듈용 기판과, 상기 파워 모듈용 기판의 상기 금속층에 플럭스를 사용하여 접합된 히트 싱크를 구비한다.
이 구성의 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판에 의하면, 절연층과 금속층의 접합면의 둘레 가장자리에 전술한 플럭스 성분 침입 방지층이 형성되어 있으므로, 히트 싱크를 접합할 때에 플럭스 성분이 절연층과 금속층의 접합면에 침입하는 것이 방지된다. 따라서, 절연층과 금속층의 접합 신뢰성이 우수하다.
히트 싱크를 접합하였을 때에는, 그 열에 의해 플럭스 성분 침입 방지층 내의 수지가 분해되는 점에서, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판에 있어서의 플럭스 성분 침입 방지층은, 대부분이 산화물로 구성된다.
본 발명의 다른 양태의 파워 모듈은, 상기 서술한 파워 모듈용 기판과, 상기 회로층 상에 배치 형성된 전자 부품을 구비한다. 이 구성의 파워 모듈에 의하면, 절연층과 금속층이 확실하게 접합되게 되어, 신뢰성을 대폭 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 양태의 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트는, 상기 플럭스 성분을 분해하는 산화물과, 수지와, 용제를 함유하고, 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 10 s-1 에 있어서의 점도가 10 m㎩·s 이상 20000 m㎩·s 이하의 범위 내로 되고, 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 100 s-1 에 있어서의 점도가 10 m㎩·s 이상 5000 m㎩·s 이하의 범위 내로 되어 있다.
이 구성의 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트에 의하면, 상기 플럭스 성분을 분해하는 산화물을 갖고 있으므로, 플럭스 성분과 접촉하였을 때에 플럭스 성분을 무해화할 수 있고, 제 1 부재와 제 2 부재의 접합면에 플럭스 성분이 진입하는 것을 억제할 수 있다.
또, 상기 점도 조건을 만족시킴으로써, 제 1 부재와 제 2 부재의 접합면의 주위에 대하여, 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트를 도포할 수 있고, 또한 도포한 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트가 적당히 처짐으로써 양호한 필릿 형상이 형성되고, 플럭스 성분 침입 방지층을 확실하게 형성할 수 있다.
특히 절연층과 금속층의 접합면과, 금속층과 히트 싱크의 접합 계면이 근접하고 있는 경우에는, 플럭스 성분 침입 방지층을 형성하기 어렵지만, 본 발명의 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트이면, 적당한 점도에 의해 도포성 및 유지성이 우수하므로, 플럭스 성분 침입 방지층을 원하는 도포량 및 단면 형상으로 형성할 수 있다.
전단 속도 10 s-1 에 있어서의 점도가 10 m㎩·s 미만인 경우에는, 페이스트를 도포하였을 때의 처짐이 크게 비어져 나와 페이스트 성분이 접합체와 피접합체의 접합 계면에 들어가, 플럭스를 사용한 접합시의 접합을 저해할 우려가 있다. 또, 전단 속도 10 s-1 에 있어서의 점도가 20000 m㎩·s 를 초과한 경우에는, 페이스트를 도포한 후에 적당한 처짐이 발생하지 않기 때문에, 필릿 형상이 형성되지 않고, 접합면과 플럭스 성분 침입 방지층 사이에 간극이 발생할 우려가 있다.
이상과 같은 점에서, 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 10 s-1 에 있어서의 점도를 10 m㎩·s 이상 20000 m㎩·s 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
상기 서술한 작용 효과를 확실하게 성공시키기 위해서는, 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 10 s-1 에 있어서의 점도를 100 m㎩·s 이상 10000 m㎩·s 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
전단 속도 100 s-1 에 있어서의 점도가 10 m㎩·s 미만인 경우에는, 페이스트를 도포할 때에 페이스트가 과잉으로 토출되기 때문에, 의도한 도포 부분으로부터 비어져 나와 접합을 저해할 우려가 있다. 전단 속도 100 s-1 에 있어서의 점도가 5000 m㎩·s 를 초과한 경우에는, 페이스트를 도포할 때에 페이스트를 충분히 토출할 수 없고, 접합면과 플럭스 성분 침입 방지층 사이에 간극을 발생시킬 우려가 있다.
이상과 같은 점에서, 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 100 s-1 에 있어서의 점도를 10 m㎩·s 이상 5000 m㎩·s 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
상기 서술한 작용 효과를 보다 확실하게 성공시키기 위해서는, 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 100 s-1 에 있어서의 점도를 50 m㎩·s 이상 2500 m㎩·s 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
상기 산화물은 전술한 바와 같다.
상기 수지도 전술한 바와 같다.
상기 용제는, 비극성 용매인 것이 바람직하다. 비극성 용매를 사용한 경우에는, 분말로의 수지의 흡착을 촉진시키는 것이 가능해지고, 분산의 안정화를 도모할 수 있다. 비극성 용매로는, 시클로헥산, 메틸시클로헥산, 에틸시클로헥산, 디부틸에테르 등을 들 수 있다.
본 발명의 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트는, 필요에 따라 분산제를 함유하고 있어도 된다. 분산제를 사용함으로써 산화물 성분의 분산 안정화를 도모할 수 있다. 분산제로는 아니온성, 카티온성, 비이온성의 계면 활성제를 들 수 있다. 분산제의 바람직한 함유량은 한정되지 않지만, 예를 들어 페이스트의 전체량에 대하여 0.01 질량％ ∼ 5 질량％ 이다. 이 범위이면 분산 효과가 얻어지고, 또한 분산제 잔류에 의한 영향이 잘 발생하지 않는다.
상기 산화물의 함유량이 10 질량％ 이상 80 질량％ 이하, 상기 수지의 함유량이 5 질량％ 이상 30 질량％ 이하, 잔부가 용제로 되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 플럭스 성분을 분해하는 산화물을 10 질량％ 이상 80 질량％ 이하의 범위 내에서 함유하고 있으므로, 플럭스 성분을 확실하게 분해하여 무해화할 수 있다. 상기 수지의 함유량이 5 질량％ 이상 30 질량％ 이하의 범위 내인 경우에는, 페이스트를 도포하여 형성된 필릿 형상을 유지할 수 있고, 확실하게 플럭스 성분 침입 방지층을 형성하는 것이 가능해진다.
본 발명의 다른 양태의 접합체의 접합 방법은, 접합면을 개재하여 접합된 제 1 부재와 제 2 부재를 갖는 접합체와 피접합재를 플럭스를 사용하여 접합하는 접합체의 접합 방법으로서, 전술한 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트를 사용하여, 상기 접합체의 제 1 부재와 제 2 부재의 접합면에 플럭스 성분이 상기 접합면에 침입하는 것을 억제하는 플럭스 성분 침입 방지층을 형성하고, 그 후, 상기 접합체와 상기 피접합재를 플럭스를 사용하여 접합한다.
이 구성의 접합체의 접합 방법에 의하면, 전술한 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트를 사용하여, 상기 접합체의 제 1 부재와 제 2 부재의 접합면에 플럭스 성분이 상기 접합면에 침입하는 것을 억제하는 플럭스 성분 침입 방지층을 형성하고 있으므로, 제 1 부재와 제 2 부재의 접합면에 플럭스 성분이 침입하는 것을 억제할 수 있어, 접합면에 있어서의 접합 신뢰성을 저하시키지 않고 접합체와 피접합체를 양호하게 접합하는 것이 가능해진다.
본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈에 의하면, 플럭스를 사용하여 피접합재를 접합한 경우에도, 플럭스 침입 방지층을 확실하게 부착시켜 둘 수 있어, 절연층과 금속판의 접합 신뢰성이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명의 다른 양태인 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트 및 접합체의 접합 방법에 의하면, 접합면을 개재하여 접합된 제 1 부재와 제 2 부재를 갖는 접합체와 피접합재를 플럭스를 사용하여 접합할 때에, 플럭스 성분이 상기 접합면에 침입하는 것을 억제하기 위한 플럭스 성분 침입 방지층을 확실하게 형성할 수 있어, 접합체와 피접합체를 양호하게 접합할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태인 파워 모듈용 기판을 나타내는 단면도이다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시형태인 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈의 단면도이다.
도 3 은 상기 실시형태에서 사용되는 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 4 는 상기 실시형태인 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 5 는 상기 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 6 은 플럭스 성분 침입 방지층을 형성하는 순서를 나타내는 단면도이다.
도 7 은 본 발명의 실시형태인 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 8 은 본 발명의 다른 실시형태인 파워 모듈용 기판을 나타내는 단면도이다.
이하에 본 발명의 각 실시형태를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
[파워 모듈용 기판]
본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) (접합체) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 절연층을 구성하는 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (12) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 1 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (13) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 회로층 (12) 과 금속층 (13) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 예를 들어 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 세라믹스 기판 (11) 의 두께는 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 도전성을 갖는 금속판 (22) 이 접합됨으로써 형성되어 있다 (도 5 참조). 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 알루미늄판이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다. 회로층 (12) 의 두께 (A) 는 0.2 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
금속층 (13) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 금속판 (23) 이 접합됨으로써 형성되어 있다 (도 5 참조). 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 은, 회로층 (12) 과 동일하게, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 알루미늄판이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다. 금속층 (13) 의 두께 (B) 는 0.2 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되고, 본 실시형태에서는 1.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 의 두께와 금속층 (13) 의 두께의 비 B/A 는, 1.0 ≤ B/A ≤ 20 의 범위 내로 설정되어 있고, 보다 바람직하게는 1.5 ≤ B/A ≤ 20 의 범위 내로 설정되어 있다. 본 실시형태에서는, B/A ＝ 1.6/0.6 ＝ 2.667 로 설정되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 파워 모듈용 기판 (10) 중 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) 의 접합면의 둘레 가장자리부에 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 이 형성되어 있다. 이 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 필릿 형상을 이루고 있다. 즉, 세라믹스 기판 (11) 의 금속층 (13) 과의 접합면을 제외한 둘레 가장자리부의 하면의 거의 전체면, 및 금속층 (13) 의 측면의 거의 전체면에 걸쳐서 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 이 형성되어 있고, 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 에 의해, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) 의 접합면의 둘레 가장자리부가 완전히 덮여져 있다.
플럭스 성분 침입 방지층 (51) 은, 산화물과 수지를 함유하는 것으로서, 보다 구체적으로는, 산화물의 함유량이 5 체적％ 이상 60 체적％ 이하, 잔부가 수지로 되어 있다.
상기 산화물로는, TiO2, SiO2, Al2O3 중 어느 1 종 또는 2 종 이상이 사용되고 있다. 산화물의 입경은, 0.01 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하의 범위 내가 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하이다.
후술하는 바와 같이, 이 파워 모듈용 기판 (10) (접합체) 의 금속층 (13) 의 타방의 면측에 히트 싱크 (40) (피접합재) 를 KAlF4 를 주성분으로 하는 플럭스를 사용한 노코록 납땜에 의해 접합하는 경우에는, 플럭스 성분인 KAlF4 를 분해하는 산화물로서 TiO2 가 바람직하게 사용된다. 보다 구체적으로는, TiO2 를 5 체적％ 이상 60 체적％ 이하의 범위 내에서 함유하고 있는 것이 바람직하다.
수지로는, 아크릴 수지, 셀룰로오스 수지, 부티랄 수지 등을 사용할 수 있다. 그 중에서도 특히 아크릴 수지가 바람직하게 사용된다.
[히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판]
다음으로, 파워 모듈용 기판 (10) 을 사용한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (30) 및 파워 모듈 (1) 에 대해 도 2 를 참조하여 설명한다. 이 파워 모듈 (1) 은, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (30) 과, 회로층 (12) 의 표면에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 칩 (3) 을 구비하고 있다.
히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (30) 은, 상기 서술한 파워 모듈용 기판 (10) 에 히트 싱크 (40) 를 접합한 것이다. 본 실시형태에 있어서는, 히트 싱크 (40) 와 파워 모듈용 기판 (10) 은, KAlF4 를 주성분으로 하는 플럭스를 사용한 노코록 납땜에 의해 접합되어 있다.
히트 싱크 (40) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (10) 을 냉각시키기 위한 것이다. 본 실시형태인 히트 싱크 (40) 는, 파워 모듈용 기판 (10) 과 접합되는 천판부 (41) 와, 이 천판부 (41) 에 대향하도록 배치된 저판부 (45) 와, 천판부 (41) 와 저판부 (45) 사이에 개재 장착된 코루게이트 핀 (46) 을 구비하고 있고, 이들 천판부 (41) 와 저판부 (45) 와 코루게이트 핀 (46) 에 의해, 냉각 매체가 유통하는 유로 (42) 가 획성 (劃成) 되어 있다.
히트 싱크 (40) 가 접합될 때의 열에 의해, 상기 서술한 파워 모듈용 기판 (10) 의 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 중의 수지가 열분해되어 제거된다. 따라서, 도 2 에 나타내는 히트 싱크가 형성된 파워 모듈 기판 (30) 에 있어서의 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 에는, 수지 성분이 거의 함유되지 않고, 산화물 (본 실시형태에서는 예를 들어 TiO2) 로 구성되어 있다.
[플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트]
다음으로, 파워 모듈용 기판 (10) 의 플럭스 성분 방지층 (51) 을 형성할 때에 사용되는 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트 (50) 에 대해 설명한다.
이 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트 (50) 는, 전술한 산화물과, 전술한 수지와, 용제를 함유하는 것으로서, 보다 구체적으로는, 산화물의 함유량이 페이스트의 질량에 대하여 10 질량％ 이상 80 질량％ 이하, 수지의 함유량이 5 질량％ 이상 30 질량％ 이하, 잔부가 용제로 되어 있다.
KAlF4 를 주성분으로 하는 플럭스를 사용하는 경우에는, 산화물로서, 플럭스 성분인 KAlF4 를 분해하는 TiO2 가 바람직하게 사용되며, 그 경우에는, TiO2 를 10 질량％ 이상 80 질량％ 이하의 범위 내에서 함유하고 있는 것이 바람직하다.
용제로는, 시클로헥산, 메틸시클로헥산, 에틸시클로헥산, 디부틸에테르 등의 비극성 용매가 바람직하고, 이들의 1 종 또는 2 종 이상이 혼합되어 사용되고 있다. 상기 수지는 용제에 용해되어 있는 것이 바람직하다.
본 실시형태인 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트 (50) 는, 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 10 s-1 에 있어서의 점도가 10 m㎩·s 이상 20000 m㎩·s 이하의 범위 내로 되고, 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 100 s-1 에 있어서의 점도가 10 m㎩·s 이상 5000 m㎩·s 이하의 범위 내로 되어 있다.
보다 바람직하게는, 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 10 s-1 에 있어서의 점도가 100 m㎩·s 이상 10000 m㎩·s 이하의 범위 내로 되고, 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 100 s-1 에 있어서의 점도가 50 m㎩·s 이상 2500 m㎩·s 이하의 범위 내로 되어 있다.
소정의 전단 속도에 있어서의 점도는, 스트레스미터에 있어서, 측정 지그로서 콘 (4˚, 직경 40 ㎜) 을 사용하고, 이 콘을 회전시켜 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트 (50) 에 소정의 전단 속도를 부여하고, 3 분 후에 있어서의 점도값을 나타내는 것으로 한다.
플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트 (50) 는, 필요에 따라 분산제를 함유하고 있어도 된다. 그 경우, 수지의 함유량을 분산제의 함유량만큼 줄이면 된다. 분산제를 사용함으로써 산화물 성분의 분산 안정화를 도모할 수 있다. 분산제로는 아니온성, 카티온성, 비이온성의 계면 활성제를 들 수 있다. 분산제의 바람직한 함유량은 한정되지 않지만, 예를 들어 페이스트의 전체량에 대하여 0.01 ∼ 5 질량％ 이다. 이 범위이면 분산 효과가 얻어지고, 또한 분산제 잔류에 의한 영향이 잘 발생하지 않는다.
[플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트의 제조 방법]
다음으로, 이 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트 (50) 의 제조 방법에 대해, 도 3 에 나타내는 플로우도를 참조하여 설명한다.
먼저, 용제와 수지를 혼합하고 유성식 교반 장치 등의 교반 장치에 의해 교반하여, 용제 중에 수지를 용해시킨 비이클을 제조한다 (비이클 제조 공정 S01).
다음으로, 산화물 분말 (TiO2 분말) 과 비이클을 유성식 교반 장치 등의 교반 장치에 의해 교반한다 (혼련 공정 S02). 이와 같이 하여, 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트 (50) 가 제조된다.
[히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법]
다음으로, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 대해, 도 4 내지 도 7 을 참조로 하여 설명한다.
(회로층 및 금속층 접합 공정 S11)
먼저, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일면측에, 회로층 (12) 이 되는 금속판 (22) (4N 알루미늄의 압연판) 이 두께 5 ∼ 50 ㎛ (본 실시형태에서는 14 ㎛) 의 납재박 (24) 을 개재하여 적층된다. 세라믹스 기판 (11) 의 타면측에는, 금속층 (13) 이 되는 금속판 (23) (4N 알루미늄의 압연판) 이 두께 5 ∼ 50 ㎛ (본 실시형태에서는 14 ㎛) 의 납재박 (25) 을 개재하여 적층된다. 본 실시형태에 있어서는, 납재박 (24, 25) 으로는, 예를 들어, 융점 강하 원소인 Si 를 함유한 Al-Si 계의 납재가 사용된다.
다음으로, 금속판 (22), 세라믹스 기판 (11), 금속판 (23) 을 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 5 ㎏f/㎠) 한 상태로 가열로 내에 장입하여 가열한다. 그러면, 납재박 (24, 25) 과 금속판 (22, 23) 의 일부가 용융되어, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 각각 용융 금속 영역이 형성된다. 가열 온도는 예를 들어, 550 ℃ 이상 650 ℃ 이하, 가열 시간은 30 분 이상 180 분 이하로 된다.
다음으로, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 각각에 형성된 용융 금속 영역을 응고시킴으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22) 및 금속판 (23) 을 접합한다.
(플럭스 성분 침입 방지층 형성 공정 S12)
다음으로, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 접합면의 둘레 가장자리에 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 을 형성한다. 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 의 형성 방법에 대해, 도 6 을 사용하여 설명한다.
먼저, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 접합면의 둘레 가장자리를 향하여, 디스펜서 (53) 를 사용하여 플럭스 성분 침입 방지층용 페이스트 (50) 를 도포한다 (페이스트 도포 공정 S21).
도포한 플럭스 성분 침입 방지층용 페이스트 (50) 를 방치해 둔다. 그러면, 자중에 의해 플럭스 성분 침입 방지층용 페이스트 (50) 가 적당히 처져, 도 6 에 나타내는 바와 같이 필릿 형상이 형성된다 (필릿 형상 형성 공정 S22).
다음으로, 50 ∼ 150 ℃ × 3 ∼ 30 분간의 조건으로 페이스트를 건조시킨다 (건조 공정 S23). 이 때, 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트 (50) 내의 용제가 제거되어, 산화물 (본 실시형태에서는 예를 들어 TiO2) 과 수지 (본 실시형태에서는 예를 들어 아크릴 수지) 로 이루어지는 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 이 형성된다.
(히트 싱크 접합 공정 S13)
다음으로, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 의 타방의 면측에 히트 싱크 (40) 를 접합한다. 먼저, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 과 히트 싱크 (40) 의 천판부 (41) 사이에 Al-Si 계 납재박 (27) 과 KAlF4 를 주성분으로 하는 플럭스 (도시 생략) 를 개재시킨다.
다음으로, 적층된 파워 모듈용 기판 (10), 히트 싱크 (40) 를 적층 방향으로 가압 (압력 0 ∼ 10 ㎏f/㎠) 한 상태로 분위기 가열로 내에 장입하고 가열하여, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (40) 의 천판부 (41) 사이에 용융 금속 영역을 형성한다. 예를 들어, 분위기 가열로 내는 질소 가스 등의 불활성 가스 분위기로 되고, 가열 온도는 550 ℃ 이상 630 ℃ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
가열 후에 상기 서술한 용융 금속 영역이 응고됨으로써, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 과 히트 싱크 (40) 의 천판부 (41) 가 접합된다. 이 때, 금속층 (13), 천판부 (41) 의 표면에는 산화 피막이 형성되어 있는데, 전술한 플럭스에 의해 이들 산화 피막이 제거된다. 또, 플럭스 성분이 액화, 기화되어 세라믹스 기판 (11) 측으로 이동한다. 이와 같이 하여, 히트 싱크 (40) 와 파워 모듈용 기판 (10) 이 접합되어 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (30) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 파워 모듈용 기판 (10) 에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) 의 접합면의 둘레 가장자리부에 산화물과 수지를 함유하는 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 이 형성되어 있으므로, 금속층 (13) 의 타방의 면에 플럭스를 사용하여 히트 싱크 (40) 를 접합할 때에 플럭스 성분인 KAlF4 가 세라믹스 기판 (11) 측으로 이동해 와도, KAlF4 가 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 중의 산화물에 접촉하여 분해되기 때문에, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) 의 접합면에 플럭스 성분인 KAlF4 가 진입하는 것을 억제할 수 있다.
플럭스 성분 침입 방지층 (51) 의 조성은, 산화물을 5 체적％ 이상 60 체적％ 이하의 범위 내에서 함유하고, 잔부가 수지로 되어 있으므로, 플럭스 성분을 확실하게 분해할 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) 의 접합면에 플럭스 성분이 진입하는 것을 확실하게 억제할 수 있다. 산화물의 함유량이 60 체적％ 이하로 되어 있으므로, 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 내의 수지의 함유량이 확보되게 되어, 수지 성분의 점착력에 의해, 히트 싱크 (40) 를 접합하는 히트 싱크 접합 공정 S13 까지 파워 모듈용 기판 (10) 으로부터 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 이 탈락하는 것을 방지할 수 있다.
본 실시형태에 있어서는, 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 이 필릿 형상을 이루고 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 및 금속층 (13) 의 측면에 각각 연장되도록 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 이 형성되어, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) 의 접합면에 플럭스 성분이 진입하는 것을 확실하게 억제할 수 있다.
또한, 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 에 함유되는 산화물이 TiO2, SiO2, Al2O3 중 어느 1 종 또는 2 종 이상으로 되어 있고, 본 실시형태에서는 TiO2 를 함유하고 있으므로, 노코록 납땜에서 사용되는 KAlF4 를 주성분으로 하는 플럭스를 확실하게 분해하는 것이 가능해진다.
플럭스 성분 침입 방지층 (51) 에 함유되는 수지로서 아크릴 수지가 사용되고 있다. 아크릴 수지는, 가열시에 해중합을 일으켜, 불활성 가스 분위기하에서도 양호한 열분해 특성을 갖고, 소성 후의 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 내에 잔존하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (30) 에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) 의 접합면의 둘레 가장자리에 전술한 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 이 형성되어 있으므로, 히트 싱크 (40) 를 접합할 때에 플럭스 성분인 KAlF4 가 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) 의 접합면에 침입하는 것이 방지되고 있다. 따라서, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) 의 접합 신뢰성이 우수한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (30) 을 제공하는 것이 가능해진다.
플럭스 성분 침입 방지층용 페이스트 (50) 에 의하면, 플럭스 성분을 분해하는 산화물을 함유하고 있으므로, KAlF4 가 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 에 접촉하였을 때에 KAlF4 가 분해되게 되어, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) 의 접합면에 플럭스 성분 KAlF4 가 진입하는 것을 억제할 수 있다. 특히 KAlF4 를 주성분으로 하는 플럭스를 분해하는 산화물로서 바람직한 TiO2 를 함유한 경우에는, KAlF4 가 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 에 접촉하였을 때에 KAlF4 를 효율적으로 분해할 수 있다.
플럭스 성분 침입 방지층용 페이스트 (50) 로서, 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 10 s-1 에 있어서의 점도가 10 m㎩·s 이상 20000 m㎩·s 이하의 범위 내로 되고, 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 100 s-1 에 있어서의 점도가 10 m㎩·s 이상 5000 m㎩·s 이하의 범위 내로 된 것을 적용하고 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) 의 접합면의 주위에 대하여, 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트 (50) 를 양호하게 도포할 수 있다. 도포한 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트 (50) 가 적당히 처짐으로써, 도 1, 도 2 에 나타내는 바와 같은 양호한 필릿 형상이 형성되고, 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 을 확실하게 형성할 수 있다. 특히 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 10 s-1 에 있어서의 점도가 10 m㎩·s 이상 10000 m㎩·s 이하의 범위 내로 되고, 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 100 s-1 에 있어서의 점도가 50 m㎩·s 이상 2500 m㎩·s 이하의 범위 내로 되어 있는 경우에는, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) 의 접합면의 주위에 대하여, 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트 (50) 를 더욱 양호하게 도포할 수 있고, 더욱 양호한 필릿 형상이 형성된다.
특히 수지로서 아크릴 수지를 함유하고 있는 경우에는, 접합시의 가열에 의해 해중합을 일으켜, 불활성 가스 분위기하에서도 양호하게 열분해되고, 소성 후의 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 내에 잔존하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 용제로서 시클로헥산, 메틸시클로헥산, 에틸시클로헥산, 디부틸에테르 등 비극성 용매를 사용하고 있으므로, 산화물 분말 (TiO2 분말) 의 수지로의 흡착을 촉진시키는 것이 가능해지고, 산화물 분말 (TiO2 분말) 을 안정적으로 분산시키는 것이 가능해진다.
본 실시형태의 플럭스 성분 침입 방지층용 페이스트 (50) 에 있어서는, 산화물 (TiO2) 의 함유량이 10 질량％ 이상 80 질량％ 이하, 수지의 함유량이 5 질량％ 이상 30 질량％ 이하, 잔부가 용제로 되어 있으므로, 플럭스 성분을 확실하게 분해하여 무해화할 수 있음과 함께, 도포하여 형성된 필릿 형상을 유지할 수 있어, 확실하게 플럭스 성분 침입 방지층 (51) 을 형성하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시형태인 접합체의 접합 방법에 의하면, 파워 모듈용 기판 (10) 의 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) 의 접합면에 플럭스 성분인 KAlF4 가 침입하는 것을 억제할 수 있어, 접합면에 있어서의 접합 신뢰성을 저하시키지 않고 파워 모듈용 기판 (10) 과 히트 싱크 (40) 를 양호하게 접합하는 것이 가능해진다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경할 수 있다.
예를 들어, 회로층으로서 알루미늄판을 사용한 것으로 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 회로층이 알루미늄 합금판, 구리판 또는 구리 합금판으로 구성된 것이어도 된다.
AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판을 사용한 것으로 하여 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, Al2O3, Si3N4 등의 다른 세라믹스 기판이어도 되고, 다른 절연 재를 사용한 것이어도 된다.
또한, 세라믹스 기판과 회로층 및 금속층의 접합 방법에 대해서는, 본 실시형태에 한정되지 않고, 다른 방법으로 접합되어 있어도 된다.
또, 도 8 에 나타내는 파워 모듈용 기판 (110) 과 같이, 세라믹스 기판 (111) 과 금속층 (113) 의 접합면의 둘레 가장자리에 플럭스 성분 침입 방지층 (151) 을 형성할 뿐만 아니라, 회로층 (112) 과 세라믹스 기판 (111) 의 접합면의 둘레 가장자리에도 플럭스 성분 침입 방지층 (152) 을 형성해도 된다. 특히 플럭스 성분이 기화되는 경우에는, 세라믹스 기판 (111) 을 넘어 회로층 (112) 과 세라믹스 기판 (111) 의 접합면에 침입할 우려가 있는 점에서, 회로층 (112) 과 세라믹스 기판 (111) 의 접합면의 둘레 가장자리에도 플럭스 성분 침입 방지층 (152) 을 형성하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 플럭스 성분 침입 방지층용 페이스트의 원료, 배합량에 대해서는, 실시형태에 기재된 것에 한정되지 않고, 다른 산화물, 수지, 용제를 사용해도 된다.
플럭스를 분해하는 산화물은 TiO2 에 한정되지 않고, TiO2, SiO2, Al2O3 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물로 되어 있어도 되고, 그 밖의 산화물이어도 된다. 이 산화물의 종류에 대해서는, 접합에 사용되는 플럭스에 따라 선택하는 것이 바람직하다.
수지로서 아크릴 수지를 사용한 것으로 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 다른 수지를 사용해도 된다.
또한, 용제로서 시클로헥산, 메틸시클로헥산, 에틸시클로헥산, 디부틸에테르 등의 비극성 용매를 사용한 것으로 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 다른 용제를 사용해도 된다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판과 금속판이 접합되어 이루어지는 파워 모듈용 기판 (접합체) 과 히트 싱크 (피접합재) 를 KAlF4 를 주성분으로 한 플럭스를 사용하여 접합하는 것으로 하여 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 접합면을 개재하여 접합된 제 1 부재와 제 2 부재를 갖는 접합체와 피접합재를 플럭스를 사용하여 접합하는 것에 적용할 수 있다.
실시예
이하에 본 발명의 효과를 확인하기 위해 실시한 실험 결과에 대해 설명한다.
도 3 의 플로우도에 기재한 순서로, 표 1 에 나타내는 조성의 플럭스 성분 침입 방지층용 페이스트를 제조하였다. 비교예 A2 에서는, 플럭스 성분 침입 방지층용 페이스트를 사용하지 않았다.
유기물 혼합 공정 S1 에 있어서는, 유성식 교반 장치 (주식회사 싱키사 제조의「AR-250」(상품명)) 를 사용하여 30 분간의 교반을 실시하고, 수지를 용제에 용해시켰다. 혼련 공정 S2 에 있어서는, 유성식 교반 장치 (주식회사 싱키사 제조의「AR-250」(상품명)) 를 사용하여 30 분간의 교반을 실시하였다.
얻어진 플럭스 성분 침입 방지층용 페이스트를 사용하여, 상기 서술한 실시형태에서 개시된 파워 모듈용 기판에 플럭스 성분 침입 방지층을 형성하였다. 비교예 A2 에서는, 플럭스 성분 침입 방지층을 형성하지 않았다. 각 실시예 및 각 비교예에 사용한 세라믹스 기판은 30 ㎜ × 20 ㎜ × 0.635 ㎜ 이고, 회로층은 13 ㎜ × 10 ㎜ × 0.6 ㎜ 이고, 금속층은 13 ㎜ × 10 ㎜ × 1.6 ㎜ 였다. 히트 싱크의 천판부를 50 ㎜ × 50 ㎜ × 7 ㎜ 로 하였다.
디스펜서 (무사시 엔지니어링 주식회사사 제조의「Super∑ X-V2」(상품명)) 에 내경 0.26 ㎜ 의 니들을 부착하고, 도포압 0.20 ㎪ 로 상기 서술한 파워 모듈용 기판의 세라믹스 기판과 금속층의 접합면의 둘레 가장자리에 플럭스 성분 침입 방지층용 페이스트를 도포하였다. 도포 후, 핫 플레이트 상에서 80 ℃, 5 분간의 건조 처리를 실시하였다.
먼저, 플럭스 성분 진입 방지층의 탈락 시험을 실시하였다.
플럭스 성분 침입 방지층을 형성한 파워 모듈용 기판을 플라스틱의 트레이 상에 두고, 진탕기로 300 rpm 으로 3 시간 진탕을 실시하여, 플럭스 성분 침입 방지층의 탈락 유무를 관찰하였다. 탈락이 확인되지 않은 것을 ○, 0.5 ㎜ 이하의 조각이 약간 탈락한 것으로 확인된 것을 △, 0.5 ㎜ 이상의 조각이 탈락한 것으로 확인된 것을 × 로 평가하였다. 0.5 ㎜ 이하의 조각이 약간 탈락하기만 했으면 실용상 문제없는 레벨이다.
다음으로, 상기 서술한 파워 모듈용 기판에 히트 싱크의 천판부만을 노코록 납땜에 의해 접합하여, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판으로 하였다.
먼저, 얻어진 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판에 대하여, 세라믹스 기판과 금속과의 접합면을 초음파 탐상 장치 (주식회사 히타치 엔지니어링·앤드·서비스사 제조의「Fine SAT FS-200」(상품명)) 에 의해 관찰하고, 박리 유무에 따라 초기의 접합 신뢰성을 평가하였다.
다음으로, 이 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판에 대하여, -40 ℃ ∼ 125 ℃ 의 냉열 사이클을 1000 사이클 실시하였다. 세라믹스 기판과 금속층의 접합면을 초음파 탐상 장치 (주식회사 히타치 엔지니어링·앤드·서비스사 제조의「Fine SAT FS-200」(상품명)) 에 의해 관찰하고, 박리 유무에 따라 냉열 사이클 후의 접합 신뢰성을 평가하였다.
노코록 접합시의 박리는 금속층의 외주부로부터 발생하고, 초음파 탐상 이미지에 있어서 이 박리부는 접합부 내의 백색부로서 나타나는 점에서, 금속층 외주부를 따른 백색부의 길이를 측정하여 박리 길이로 하였다. 박리가 없는 것을 ◎, 접합면의 한 변의 길이에 대한 박리 길이의 비율 (박리 길이율) 이 30 ％ 이하인 경우를 ○, 박리 길이율이 30 ％ 를 초과하는 경우를 × 로 평가하였다. 박리 길이율이 30 ％ 이하이면 실제상 지장이 없는 것으로 평가하였다. 평가 결과와 박리 길이율을 표 2 에 나타낸다.
Figure 112014052740861-pct00001
Figure 112014052740861-pct00002
산화물을 함유하고 있지 않은 플럭스 성분 침입 방지층이 형성된 비교예 A1 에 있어서는, 탈락 시험의 평가는 양호하였지만, 접합 신뢰성이 떨어지는 것이 확인되었다. 이것은, 플럭스 성분 침입 방지층이 산화물을 갖고 있지 않기 때문에, 플럭스 성분을 분해할 수 없어, 플럭스 성분이 세라믹스 기판과 금속층의 접합면에 침입하여 접합 신뢰성이 저하된 것으로 추측된다.
플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트를 형성하지 않은 비교예 A2 에 있어서는, 접합 신뢰성이 떨어지는 것이 확인되었다. 이것은, 플럭스 성분이 세라믹스 기판과 금속층의 접합면에 침입하여 접합 신뢰성이 저하된 것으로 추측된다.
이에 대하여, 산화물을 함유한 플럭스 성분 침입 방지층이 형성된 실시예 A1 ∼ A7 에 있어서는, 접합 신뢰성이 양호한 것이 확인되었다. 플럭스 성분인 KAlF4 가 플럭스 성분 침입 방지층과 접촉하였을 때에 분해되는 점에서, 플럭스 성분이 세라믹스 기판과 금속층의 접합면에 침입하는 것이 방지되어, 접합 신뢰성이 양호해진 것으로 추측된다.
또한, 플럭스 성분 침입 방지층에 있어서의 산화물의 함유량 (건조 후의 산화물량) 이 70.1 ％ 로 된 실시예 A6 에 있어서는, 수지의 함유량이 적기 때문에, 탈락 시험에서 플럭스 성분 침입 방지층의 일부에서 탈락이 확인되었다.
플럭스 성분 침입 방지층에 있어서의 산화물의 함유량 (건조 후의 산화물량) 이 4.5 ％ 로 된 실시예 A7 에 있어서는, 산화물의 함유량이 적었기 때문에, 실시예 A1 ∼ A6 과 비교하면, 약간의 접합 신뢰성의 저하가 확인되었다.
이상의 확인 실험의 결과, 본 발명에 의하면, 히트 싱크를 접합하였을 때에 세라믹스 기판과 금속층의 접합 신뢰성의 저하를 방지할 수 있는 것이 확인되었다.
또한, 플럭스 성분 침입 방지층에 있어서의 산화물의 함유량을 바람직하게는 5 체적％ 이상 60 체적％ 이하의 범위 내로 함으로써, 플럭스 성분 침입 방지층의 탈락을 방지할 수 있음과 함께, 보다 확실하게 접합 신뢰성의 저하를 방지할 수 있는 것이 확인되었다.
이하에 페이스트의 효과를 확인하기 위해 실시한 실험 결과에 대해 설명한다.
도 3 의 플로우도에 기재한 순서로, 표 3 에 나타내는 조성의 플럭스 성분 침입 방지층용 페이스트를 제조하였다. 유기물 혼합 공정 S01 에 있어서는, 유성식 교반 장치 (주식회사 싱키 제조의「AR-250」(상품명)) 를 사용하여 30 분간의 교반을 실시하여, 수지를 용제에 용해시켰다.
혼련 공정 S02 에 있어서는, 유성식 교반 장치 (주식회사 싱키 제조의「AR-250」(상품명)) 를 사용하여 5 분간의 교반을 실시하였다.
얻어진 플럭스 성분 침입 방지층용 페이스트에 대해, 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 10 s-1 에 있어서의 점도, 및 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 100 s-1 에 있어서의 점도에 대해 측정하였다.
스트레스 레오미터 (TA 인스트루먼트 주식회사 제조의「AR-1000」(상품명)) 에, 측정 지그로서 콘 (4 °, 직경 40 ㎜) 을 사용하고, 이 콘을 회전시켜 플럭스 성분 침입 방지층용 페이스트에 대하여 소정의 전단 속도를 부여하고, 3 분 후의 점도를 측정하였다. 측정 결과를 표 4 에 나타낸다.
이들 플럭스 성분 침입 방지층용 페이스트를 사용하여, 상기 서술한 실시형태에서 개시된 파워 모듈용 기판의 플럭스 성분 침입 방지층을 형성하였다. 세라믹스 기판은 30 ㎜ × 20 ㎜ × 0.635 ㎜ 이고, 회로층은 13 ㎜ × 10 ㎜ × 0.6 ㎜ 이고, 금속층은 13 ㎜ × 10 ㎜ × 1.6 ㎜ 이고, 히트 싱크의 천판부는 50 ㎜ × 50 ㎜ × 7 ㎜ 였다.
디스펜서 (무사시 엔지니어링 주식회사 제조의「Super∑ X-V2」(상품명)) 에 내경 0.26 ㎜ 의 니들을 부착하고, 도포압 0.20 ㎪ 로 상기 서술한 파워 모듈용 기판의 세라믹스 기판과 금속층의 접합면의 둘레 가장자리에 플럭스 성분 침입 방지층용 페이스트를 도포하였다. 도포 후, 핫 플레이트 상에서 80 ℃, 5 분간의 건조 처리를 실시하였다.
먼저, 필릿 형상을 평가하였다.
플럭스 성분 침입 방지층을 광학 현미경으로 관찰하여, 플럭스 성분 침입 방지층용 페이스트의 누락이나 간극의 유무를 확인하였다. 누락 혹은 간극이 확인되지 않은 것을 ○, 길이 3 ㎜ 이하의 누락 혹은 간극이 1 개 지점만 확인된 것을 △, 길이 3 ㎜ 초과의 누락 혹은 간극이 확인된 경우, 혹은 길이 3 ㎜ 이하의 누락 혹은 간극이 2 개 지점 이상 확인된 것을 × 로 평가하였다. 길이 3 ㎜ 이하의 누락 혹은 간극이 1 개 지점인 경우에는 실용상 문제없는 레벨이다.
다음으로, 상기 서술한 파워 모듈용 기판에 히트 싱크의 천판부만을 노코록 납땜에 의해 접합하여, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판으로 하였다.
먼저, 얻어진 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판에 대하여, 세라믹스 기판과 금속층의 접합면을 초음파 탐상 장치 (주식회사 히타치 엔지니어링·앤드·서비스 제조의「Fine SAT FS-200」(상품명)) 에 의해 관찰하고, 박리 유무에 따라 초기의 접합 신뢰성을 평가하였다.
다음으로, 이 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판에 대하여, -40 ℃ ∼ 125 ℃ 의 냉열 사이클을 1000 사이클 실시하였다. 세라믹스 기판과 금속층의 접합면을 초음파 탐상 장치 (주식회사 히타치 엔지니어링·앤드·서비스 제조의「Fine SAT FS-200」(상품명)) 에 의해 관찰하고, 박리 유무에 따라 냉열 사이클 후의 접합 신뢰성을 평가하였다.
노코록 접합시의 박리는 금속층의 외주부로부터 발생하고, 초음파 탐상 이미지에 있어서 이 박리부는 접합부 내의 백색부로서 나타나는 점에서, 금속층 외주부를 따른 백색부의 길이를 측정하여 박리 길이로 하였다. 박리가 없는 경우를 ○, 길이에 대한 박리 길이의 비율 (박리 길이율) 이 30 ％ 이하인 경우를 △, 박리 길이율이 30 ％ 를 초과하는 경우를 × 로 평가하였다. 평가 결과와 박리 길이율을 표 4 에 나타낸다.
Figure 112014052740861-pct00003
Figure 112014052740861-pct00004
온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 10 s-1 에 있어서의 점도가 10 m㎩·s 이상 20000 m㎩·s 이하의 범위 내로 되고, 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 100 s-1 에 있어서의 점도가 10 m㎩·s 이상 5000 m㎩·s 이하의 범위 내로 된 실시예 B1 ∼ B7 에 있어서는, 초기의 접합 신뢰성 및 냉열 사이클 후의 접합 신뢰성이 양호한 것이 확인되었다. 이것은, 플럭스 성분이 세라믹스 기판과 금속층의 접합면에 침입하지 않았기 때문인 것으로 추측된다.
또한, 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 10 s-1 에 있어서의 점도가 100 m㎩·s 이상 10000 m㎩·s 이하의 범위 내로 되고, 또한 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 100 s-1 에 있어서의 점도가 50 m㎩·s 이상 2500 m㎩·s 이하의 범위 내로 된 실시예 B1 ∼ B4 에 있어서는, 도포 후의 필릿 형상이 양호한 것이 확인되었다.
이에 대하여, 비교예 B1 ∼ B3 에 있어서는, 접합 신뢰성이 낮은 것이 확인되었다.
플럭스 성분을 분해하는 산화물을 함유하지 않는 비교예 B1 에 있어서는, 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 10 s-1 에 있어서의 점도가 10 m㎩·s 이상 10000 m㎩·s 이하의 범위 내, 온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 100 s-1 에 있어서의 점도가 50 m㎩·s 이상 2500 m㎩·s 이하의 범위 내로 되어 있는 점에서, 도포 형상은 양호하다. 그러나, 플럭스 성분을 분해하는 산화물을 갖고 있지 않기 때문에, 플럭스 성분을 분해할 수 없어, 플럭스 성분이 세라믹스 기판과 금속층의 접합면에 침입하여 접합 신뢰성이 저하된 것으로 추측된다.
온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 10 s-1 에 있어서의 점도가 28000 m㎩·s 로 된 비교예 B2 에 있어서는, 도포 후의 페이스트가 처지지 않기 때문에, 도포 형상이 불량해졌다. 이로써, 플럭스 성분이 세라믹스 기판과 금속층의 접합면에 침입하여 접합 신뢰성이 저하된 것으로 추측된다.
온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 100 s-1 에 있어서의 점도가 8000 m㎩·s 로 된 비교예 B3 에 있어서는, 페이스트의 도포를 양호하게 실시할 수 없어, 필릿 형상이 불량해졌다. 이로써, 플럭스 성분이 세라믹스 기판과 금속층의 접합면에 침입하여 접합 신뢰성이 저하된 것으로 추측된다.
이상의 확인 실험의 결과, 본 발명에 의하면, 플럭스 성분 침입 방지층을 양호하게 형성할 수 있는 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트를 제공할 수 있는 것이 확인되었다.
산업상 이용가능성
본 발명에 의하면, 플럭스를 사용하여 피접합재를 접합하는 경우에도, 플럭스 침입 방지층을 확실하게 부착시켜 둘 수 있어, 절연층과 금속판의 접합 신뢰성이 저하되는 것을 억제할 수 있으므로, 산업상의 이용이 가능하다.
10 : 파워 모듈용 기판
11 : 세라믹스 기판 (절연층)
13 : 금속층
40 : 히트 싱크
51 : 플럭스 성분 침입 방지층

Claims (11)

  1. 절연층의 일방의 면에 회로층이 형성되고, 상기 절연층의 타방의 면에 금속층이 형성되어 있고, 이 금속층의 타방의 면에 플럭스를 사용하여 피접합체가 접합되는 파워 모듈용 기판으로서,
    상기 절연층과 상기 금속층의 접합면의 둘레 가장자리부에는, 산화물과 수지를 함유하는 플럭스 성분 침입 방지층이 형성되어 있고,
    상기 산화물이, TiO2, SiO2, Al2O3 중 어느 1 종 또는 2 종 이상으로 되어 있고,
    상기 플럭스 성분 침입 방지층은 필릿 형상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플럭스 성분 침입 방지층은, 상기 산화물을 5 체적％ 이상 60 체적％ 이하의 범위 내에서 함유하고, 잔부가 상기 수지로 되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 상기 파워 모듈용 기판의 상기 금속층에 플럭스를 사용하여 접합된 히트 싱크를 구비한 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판.
  5. 제 1 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 상기 회로층 상에 배치 형성된 전자 부품을 구비한 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  6. 접합면을 통해 접합된 제 1 부재와 제 2 부재를 가지는 접합체와 피접합체를 플럭스를 사용하여 접합할 때, 플럭스 성분이 상기 접합면에 침입하는 것을 억제하는 플럭스 성분 침입 방지층을 형성하기 위한 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트로서,
    플럭스 성분을 분해하는 산화물과, 수지와, 용제를 함유하고,
    온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 10 s-1 에 있어서의 점도가 10 m㎩·s 이상 20000 m㎩·s 이하의 범위 내로 되고,
    온도 25 ℃ 에서의 전단 속도 100 s-1 에 있어서의 점도가 10 m㎩·s 이상 5000 m㎩·s 이하의 범위 내로 되어 있고,
    상기 산화물이, TiO2, SiO2, Al2O3 중 어느 1 종 또는 2 종 이상으로 되어 있고,
    상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재의 접합면의 둘레 가장자리부를 향해서 도포함으로써, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재의 접합면의 둘레 가장자리부에 필릿 형상의 상기 플럭스 성분 침입 방지층이 형성되는 것을 특징으로 하는 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 산화물의 함유량이 10 질량％ 이상 80 질량％ 이하, 상기 수지의 함유량이 5 질량％ 이상 30 질량％ 이하, 잔부가 용제로 되어 있는 것을 특징으로 하는 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트.
  9. 절연층의 일방의 면에 회로층이 형성되고, 상기 절연층의 타방의 면에 금속층이 형성되어 있고, 이 금속층의 타방의 면에 플럭스를 사용하여 피접합체가 접합되는 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    제 6 항 또는 제 8 항에 기재된 플럭스 성분 침입 방지층 형성용 페이스트를 사용하여, 상기 절연층과 상기 금속층의 접합면에 플럭스 성분이 상기 접합면에 침입하는 것을 억제하는 플럭스 성분 침입 방지층을 형성하는 공정을 갖는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 기재된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서, 상기 금속층에 플럭스를 사용한 납땜에 의해 히트 싱크를 접합하는 공정을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 기재된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서, 상기 회로층에 전자 부품을 배치 형성하는 공정을 추가로 갖는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
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