KR102300413B1

KR102300413B1 - 접합체, 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 접합체의 제조 방법

Info

Publication number: KR102300413B1
Application number: KR1020167023026A
Authority: KR
Inventors: 노부유키 데라사키; 요시유키 나가토모
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2021-09-08
Also published as: US9735085B2; CN105829266A; WO2015141295A1; TW201541570A; JP5871081B2; JP2015193526A; US20170062305A1; EP3121157B1; EP3121157A4; EP3121157A1; KR20160135177A; TWI619207B

Abstract

본 발명의 접합체는, Al 을 함유하는 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재가 접합되어 이루어지는 접합체로서, 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재 사이에는 접합부가 형성되고, 그 접합부의 세라믹스 부재측에는, 활성 금속을 함유하는 화합물로 이루어지는 활성 금속 화합물 영역이 형성되고, 그 활성 금속 화합물 영역의 상기 Cu 부재측을 이루는 일면으로부터, 상기 Cu 부재측을 향하여, 0.5 ㎛ ∼ 3 ㎛ 의 두께 범위에 있어서의 상기 접합부의 Al 농도가 0.5 at％ 이상, 15 at％ 이하의 범위이다.

Description

접합체, 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 접합체의 제조 방법{BONDED BODY, SUBSTRATE FOR POWER MODULES, POWER MODULE AND METHOD FOR PRODUCING BONDED BODY}

이 발명은, 세라믹스 부재와 Cu 부재를 강고하게 접합한 접합체, 이 접합체를 구비한 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 접합체의 제조 방법에 관한 것이다.

본원은, 2014년 3월 20일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2014-058869호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

LED 나 파워 모듈 등의 반도체 장치는, 도전 재료로 이루어지는 회로층 상에 반도체 소자가 접합된 구조를 구비한다.

풍력 발전, 전기 자동차 등의 전기 차량 등, 대전력을 제어하기 위해서 사용되는 파워 반도체 소자는 발열량이 많다. 이 때문에, 이와 같은 파워 반도체 소자를 탑재하는 기판으로는, 예를 들어, Si₃N₄ (질화규소), AlN (질화알루미늄), Al₂O₃ (알루미나) 등, 내열성 및 절연성이 우수한 세라믹스 기판이 사용된다. 그리고, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에, 도전성이 우수한 Cu 판을 회로층으로 하여 접합한 파워 모듈용 기판이, 종래부터 널리 사용되고 있다. 또, 세라믹스 기판의 타방의 면에도 금속판을 접합하는 경우도 있다.

종래, 세라믹스 기판에 대해 Cu 판을 접합하는 방법으로서, 예를 들어, 세라믹스 기판에 Cu 판을 중첩한 상태에서, 이것들에 하중을 가하면서, N₂ 분위기 중에서 1000 ℃ 이상으로 가열하는, 이른바 DBC 법 (Direct Bonding Copper 법) 이 알려져 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조).

일본 공개특허공보 평04-162756호

그러나, 특허문헌 1 에 나타낸 DBC 법에 의해 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합한 경우, 세라믹스 기판과 Cu 판을 1000 ℃ 이상에서 가열하여 접합하기 때문에, 세라믹스 기판에 열 부하가 가해져, 세라믹스 기판과 Cu 판의 접합 신뢰성이 저하될 염려가 있었다.

이 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 접합 신뢰성이 높은 접합체, 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 접합체의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 몇 개의 양태는, 다음과 같은 접합체, 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 접합체의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 제 1 양태에 관련된 접합체는, Al 을 함유하는 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재가 접합되어 이루어지는 접합체로서, 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재 사이에는 접합부가 형성되고, 그 접합부의 세라믹스 부재측에는, 활성 금속을 함유하는 화합물로 이루어지는 활성 금속 화합물 영역이 형성되고, 그 활성 금속 화합물 영역의 상기 Cu 부재측을 이루는 일면으로부터, 상기 Cu 부재측을 향하여, 0.5 ㎛ ∼ 3 ㎛ 의 두께 범위에 있어서의 상기 접합부의 Al 농도가 0.5 at％ 이상, 15 at％ 이하의 범위이다.

접합부에 있어서의 Al 성분은, 세라믹스 부재의 구성 재료, 즉, Al 을 함유하는 세라믹스의 일부가, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 접합시에 분해되고, Al 성분이 접합부를 향하여 확산됨으로써 발생한다. Al 농도는, 세라믹스 부재의 분해 정도를 나타내는 것으로, Al 농도가 높을수록 세라믹스 부재의 분해가 진행되고, 세라믹스 부재와 접합부의 접합력이 높아져 있는 것을 나타내고 있다.

여기서, 상기 Al 농도가 0.5 at％ 미만이면 세라믹스 부재의 분해가 진행되어 있지 않아, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 박리율이 증가한다. 또, 상기 Al 농도가 15 at％ 를 초과하면 접합부에 있어서의 Al 성분이 많아져, Al 의 급속간 화합물 등이 증가한다. 이것에 의해, 접합부의 경도가 상승하고, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 접합 신뢰성이 저하된다.

따라서, 본 발명과 같이, 접합부의 Al 농도를 소정의 범위 내로 함으로써, 세라믹스 부재와 접합부의 접합력을 높게 유지할 수 있고, 접합부에 있어서의 박리율을 저감시켜, 세라믹스 부재와 Cu 부재가 강고하게 접합된 접합체를 실현할 수 있다.

본 발명의 접합체에 있어서는, 상기 활성 금속 화합물 영역의 상기 일면은 요철을 갖는 면이고, 상기 두께 범위는, 상기 요철 중 가장 상기 Cu 부재에 가까운 지점으로부터의 범위이다.

이것에 의해, Al 농도에 의한 세라믹스 부재의 분해의 정도를 보다 정확하게 파악할 수 있고, 접합부에 있어서의 박리율의 저감을 확실하게 실현할 수 있다.

본 발명의 접합체에 있어서는, 상기 세라믹스 부재는 AlN, Al₂O₃ 중 어느 하나로 구성된다.

세라믹스 부재로서 AlN, Al₂O₃ 을 선택함으로써, 절연성 및 내열성이 우수한 접합체를 제조할 수 있다.

본 발명의 접합체에 있어서는, 상기 활성 금속 화합물 영역은, 활성 금속의 질화물, 활성 금속의 산화물 중 어느 하나를 함유한다.

활성 금속 화합물 영역에 활성 금속의 질화물, 활성 금속의 산화물을 함유함으로써, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 접합성이 향상되고, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 박리율의 저감을 확실하게 실현할 수 있다.

본 발명의 제 2 양태에 관련된 파워 모듈용 기판은, 전술한 접합체를 구비한 파워 모듈용 기판으로서, 상기 Cu 부재를 회로층으로서 사용하고, 상기 세라믹스 부재에 있어서 상기 회로층이 접합되는 면의 반대면에 금속층을 형성하고 있다.

이 파워 모듈용 기판은, Cu 부재를 회로층으로서 사용하고, 세라믹스 부재에 있어서의 이 회로층이 접합된 면의 반대면에 금속층을 형성하고 있다. 이때문에, 세라믹스 부재와 회로층 사이에 형성되는 접합부의 Al 농도가 소정의 범위 내로 유지되고, 세라믹스 부재와 접합부의 접합력을 높게 유지할 수 있으며, 접합부에 있어서의 박리율을 저감시켜, 세라믹스 부재와 회로층이 강고하게 접합된 파워 모듈용 기판을 실현할 수 있다.

본 발명의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 금속층은 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어진다.

이 경우, 세라믹스 부재의 회로층이 접합되는 면의 반대면에, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 금속층이 형성되어 있기 때문에, 방열성이 우수한 파워 모듈 기판을 실현할 수 있다.

본 발명의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 금속층은 Al 또는 Al 합금으로 이루어진다.

이 경우, 세라믹스 부재의 회로층이 접합되는 면의 반대면에, Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 금속층을 접합함으로써 변형 저항이 작아지고, 세라믹스 부재에 열 응력이 가해졌을 때, 이 열 응력을 Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 금속층에 의해 흡수할 수 있어, 세라믹스 부재의 열 응력에 의한 파손을 억제하는 것이 가능해진다.

본 발명의 제 3 양태에 관련된 파워 모듈은, 전술한 파워 모듈용 기판과, 상기 회로층 중 상기 세라믹스 부재와는 반대측의 면에 접합된 전자 부품을 구비한다.

본 발명의 파워 모듈에 의하면, 전술한 바와 같은 접합체를 갖는 파워 모듈용 기판을 사용하고 있기 때문에, 세라믹스 부재와 회로층이 강고하게 접합되어 있어, 신뢰성이 우수하다.

본 발명의 제 4 양태에 관련된 접합체의 제조 방법은, Al 을 함유하는 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재가 접합되어 이루어지는 접합체의 제조 방법으로서, Cu-P 계 납재와, 활성 금속을 함유하는 활성 금속재를 개재하여, 상기 세라믹스 부재에 상기 Cu 부재를 적층시킨 적층체를 형성하는 적층 공정과, 상기 적층체를 가열 처리하여, 상기 Cu-P 계 납재를 용융시킴과 함께, 상기 세라믹스 부재에 함유되는 Al 을 상기 Cu-P 계 납재를 향하여 확산시키는 가열 처리 공정을 구비하고 있다.

본 발명의 접합체의 제조 방법에 의하면, 가열 처리 공정에 있어서, 세라믹스 부재에 함유되는 Al 을 Cu-P 계 납재를 향하여 확산시킴으로써, 세라믹스 부재와 접합부의 접합력을 높게 유지할 수 있고, 접합부에 있어서의 박리율을 저감시켜, 세라믹스 부재와 Cu 부재가 강고하게 접합된 접합체를 제조할 수 있다.

본 발명의 접합체의 제조 방법에 있어서는, 상기 Cu-P 계 납재는, P 를 3 mass％ 이상 10 mass％ 이하 함유한다.

P 를 3 mass％ 이상 10 mass％ 이하 함유하는 Cu-P 계 납재는 융점이 낮기 때문에, 가열할 때 융액이 발생하기 쉬워지고, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 반응이 진행되기 쉬워지기 때문에, 세라믹스 부재와 Cu 부재를 강고하게 접합할 수 있다.

본 발명의 접합체의 제조 방법에 있어서는, 상기 Cu-P 계 납재는, Cu-P 납재, Cu-P-Sn 납재, Cu-P-Sn-Ni 납재, Cu-P-Zn 납재 중에서 선택되는 어느 1 종이다.

이와 같은 납재를 사용한 경우, 납재의 융점이 낮기 때문에, 확실하게 세라믹스 부재와 Cu 부재의 접합을 실시할 수 있다.

본 발명에 의하면, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 접합 신뢰성이 높은 접합체, 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 접합체의 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 실시형태에 관련된 접합체의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2 는 본 발명의 실시형태에 관련된 접합체의 접합부를 나타낸 요부 확대 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 실시형태에 관련된 접합체의 접합부의 단면 관찰 사진이다.
도 4 는 본 발명의 실시형태에 관련된 접합체의 접합부의 다른 예를 나타낸 요부 확대 단면도이다.
도 5 는 본 발명의 실시형태에 관련된 접합체의 제조 방법을 단계적으로 나타낸 단면도이다.
도 6 은 본 발명의 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 7 은 실시예에 있어서의 활성 금속 화합물 영역의 관찰예를 나타내는 도면이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 관련된 접합체, 및 그 제조 방법에 대하여 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 각 실시형태는, 발명의 취지를 보다 잘 이해시키기 위해서 구체적으로 설명하는 것으로, 특별히 지정이 없는 한, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또, 이하의 설명에서 사용하는 도면은, 본 발명의 특징을 알기 쉽게 하기 위해서, 편의상, 요부가 되는 부분을 확대하여 나타내고 있는 경우가 있고, 각 구성 요소의 치수 비율 등이 실제와 동일하다고는 한정할 수 없다.

(접합체)

도 1 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 접합체의 일례를 나타내는 단면도이다.

접합체 (10) 는, 예를 들어, 파워 반도체를 구비한 파워 모듈을 구성하는 파워 모듈용 기판으로서 사용된다. 이 접합체 (10) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일면 (11a) (도 1 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 Cu 부재 (12) 를 구비하고 있다. 또, 이 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 부재 (12) 는, 접합부 (13) 를 개재하여 접합되어 있다. 접합부 (13) 는, 예를 들어, 활성 금속재 및 Cu-P 계 납재를 가열 처리함으로써 형성된다. 또한, 접합체 (10) 의 제조 방법은, 이후에 상세히 서술한다.

세라믹스 기판 (11) 은, Al 을 함유하는 절연성이 높은 세라믹스, 예를 들어, AlN (질화알루미늄), Al₂O₃(알루미나) 등으로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (11) 은, 방열성이 우수한 AlN 으로 구성되어 있다. 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 예를 들어 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 인 것을 사용하고 있다.

Cu 부재 (12) 는, 높은 도전성을 갖는 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 금속판이 사용된다. 본 실시형태에서는, Cu 부재 (12) 로서 무산소동으로 이루어지는 금속판을 사용하고 있다. 이 Cu 부재 (12) 의 두께는, 예를 들어, 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.6 ㎜ 인 것이 사용되고 있다.

이와 같은 Cu 부재 (12) 는, 예를 들어, 파워 모듈용 기판의 회로층으로서 사용된다.

도 2 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 접합체의 접합부 (13) 의 개요를 나타낸 요부 확대 단면도이다. 또, 도 3 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 접합체의 접합부 (13) 의 단면 관찰 사진이다. 또한, 도 2 및 도 3 에 나타내는, 본 실시형태의 접합부 (13) 의 구성은, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 부재 (12) 의 접합에, Cu-P-Sn-Ni 납재와, 활성 금속으로서 Ti 를 사용한 경우의 일례이다. 또한, 활성 금속으로는, Ti 이외에도, 예를 들어, Zr, Nb, Hf 등을 들 수 있다.

접합부 (13) 는, 활성 금속재 (본 실시형태에서는 Ti) 및 Cu-P 계 납재를 소정의 온도, 시간으로 열처리함으로써 발생하는 접합층이다.

접합부 (13) 는, Cu 부재 (12) 측에 있는 합금층 (17) 과, 세라믹스 기판 (11) 측에 있는 활성 금속 화합물 영역 (16) 을 구비하고 있다.

본 실시형태에 있어서, 활성 금속 화합물 영역 (16) 은, 활성 금속재로부터 확산된 Ti 와, 세라믹스 기판 (11) 을 구성하는 AlN 에 함유되는 N 이 화합되어 형성된 Ti 질화물, 예를 들어 TiN 을 주체로 구성되어 있다. 합금층 (17) 은, 납재의 성분인 Cu, P, Sn, Ni, 및 활성 금속재로부터 확산된 Ti 및 그것들의 합금이나 금속간 화합물로 구성되어 있다.

이와 같은 구성의 접합부 (13) 에 있어서, 활성 금속 화합물 영역 (16) 의 Cu 부재 (12) 측을 이루는 일면 (16a) 으로부터 Cu 부재 (12) 측을 향하여, 0.5 ㎛ ∼ 3 ㎛ 의 두께 범위 (E) 에 있어서의 Al 농도가 0.5 at％ 이상, 15 at％ 이하의 범위가 되도록 형성되어 있다. 즉, 활성 금속 화합물 영역 (16) 의 일면 (16a) 으로부터, Cu 부재 (12) 를 향하여 0.5 ㎛ (Δt1) 의 위치에서 넓어지는 면과, Cu 부재 (12) 를 향하여 3 ㎛ (Δt2) 의 위치에서 넓어지는 면 사이의, 2.5 ㎛ 의 두께 범위 (E) 로 넓어지는 영역 내에 있어서는, Al 농도가 0.5 at％ 이상, 15 at％ 이하로 되어 있다. 또한, Al 농도는 두께 범위 (E) 에 있어서의 평균값으로 되어 있다. 상기 두께 범위 (E) 에 있어서의 Al 농도는, 0.5 at％ 이상, 10 at％ 이하로 하는 것이 바람직하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.

접합부 (13) 에 있어서의 Al 성분은, 세라믹스 기판 (11) 의 구성 재료, 즉, Al 을 함유하는 세라믹스의 일부가, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 부재 (12) 의 접합시에 분해되어 Al 성분이 접합부 (13) 를 향하여 확산됨으로써 발생한다. 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (11) 을 구성하는 AlN 이 분해되어, Al 이 접합부 (13) 를 향하여 확산되어 있다.

이와 같은 접합부 (13) 의 두께 범위 (E) 에 있어서의 Al 농도의 제어는, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 부재 (12) 의 접합시에 있어서의, 가열 처리 공정에서의 접합 온도의 설정이나, 가열 시간의 설정에 따라, 원하는 값으로 제어된다.

또한, 본 실시형태에서는, 활성 금속 화합물 영역 (16) 은, 활성 금속재와, 세라믹스 기판 (11) 을 구성하는 AlN 에 함유되는 N 이 화합되어 형성된 활성 금속의 질화물을 주체로 구성되어 있지만, 세라믹스 기판 (11) 으로서 Al₂O₃ 을 사용한 경우, 활성 금속 화합물 영역 (16) 은, Al₂O₃ 에 함유되는 O 와 활성 금속이 화합되어 형성된 활성 금속의 산화물을 주체로 구성된다.

또, 도 2 에서는, 모식적으로, 활성 금속 화합물 영역 (16) 의 일면 (16a) 을 평면으로 하고 있지만, 실제로는, 도 3 의 관찰 사진에 나타내는 바와 같이, 이 활성 금속 화합물 영역 (16) 의 일면 (16a) 은 다수의 요철을 갖는 면으로 되어 있다. 이 경우, 예를 들어 도 4 에 나타내는 바와 같이, Al 의 농도가 규정된 접합부 (13) 의 두께 범위 (E) 는, 활성 금속 화합물 영역 (16) 의 일면 (16a) 중, 가장 Cu 부재에 가까운 지점 Sp (가장 Cu 부재 (12) 측으로 돌출된 정상부 Sp) 를 기점으로 하여, 0.5 ㎛ ∼ 3 ㎛ 의 두께 범위 (E) 가 정의되면 된다.

또, 세라믹스 기판 (11) 의 타면 (11b) 측에, 추가로 금속 부재, 예를 들어 Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 Al 부재, Cu 나 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재가 접합된 구성인 것도 바람직하다. 이러한 금속 부재의 일례로서, 4N-Al 로 이루어지는 Al 부재나, 무산소동으로 이루어지는 Cu 부재를 들 수 있다. 세라믹스 부재 (11) 와 금속 부재의 접합에는, 예를 들어, Al-Si 계 납재나 Cu-P 계 납재 등을 사용할 수 있다. Al-Si 계 납재로는, Si 함유량이 1 mass％ 내지 12 mass％ 인 납재를 들 수 있다.

이상과 같은 구성의 접합체 (10) 에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 부재 (12) 를 접합하는 접합부 (13) 는, 활성 금속 화합물 영역 (16) 의 일면 (16a) 으로부터 Cu 부재 (12) 측을 향하여, 0.5 ㎛ ∼ 3 ㎛ 의 두께 범위 (E) 에 있어서의 Al 농도가 0.5 at％ 이상, 15 at％ 이하가 되도록 형성되어 있다. 이 Al 은, 세라믹스 기판 (11) 을 구성하는 AlN 이나 Al₂O₃ 이 분해되어, 접합부 (13) 를 향하여 확산되어 있다. 따라서, Al 의 농도는, 이들 AlN 이나 Al₂O₃ 의 분해 정도를 나타내고, Al 의 농도가 높을수록, AlN 이나 Al₂O₃ 의 분해가 진행되어, 세라믹스 기판 (11) 과 접합부 (13) 의 접합력이 높아져 있는 것을 나타내고 있다.

따라서, 접합부 (13) 의 특정 영역의 Al 농도를 관리함으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 접합부 (13) 의 접합력을 높게 유지할 수 있고, 접합부 (13) 의 박리율을 저감시키는 것이 가능해진다.

(접합체의 제조 방법)

상기 서술한 바와 같은 구성의 접합체의 제조 방법에 대해 설명한다.

도 5 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 접합체의 제조 방법을 단계적으로 나타낸 단면도이다.

예를 들어, 파워 모듈용 기판으로서 사용되는 접합체를 제조할 때에는, 먼저, AlN (질화알루미늄), Al₂O₃ (알루미나) 등의 Al 을 함유하는 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) (11) 을 준비한다 (도 5(a) 참조). 본 실시형태에서는, AlN 으로 이루어지고, 두께가 0.635 ㎜ 인 세라믹스 기판을 사용하였다.

다음으로, 세라믹스 기판 (11) 의 일면 (11a) 측에, 납재 (31), 활성 금속재 (32) 및 Cu 부재 (12) 를 순서대로 적층하고, 적층체 (35) 를 형성한다 (도 5(b) 참조 : 적층 공정). 납재 (31) 는, Cu-P 계 납재가 사용된다. Cu-P 계의 납재로는, 예를 들어, Cu-P 납재, Cu-P-Sn 계 납재, Cu-P-Sn-Ni 계 납재, Cu-P-Zn 계 납재, Cu-P-Sn-Mn 계 납재, Cu-P-Sn-Cr 계 납재, Cu-P-Sn-Fe 계 납재 등을 들 수 있고, 본 실시형태에서는, Cu-P-Sn-Ni 납재를 사용하고 있다.

Cu-P-Sn-Ni 납재의 조성은, 구체적으로는, Cu-7 mass％ P-15 mass％ Sn-10 mass％ Ni 로 되어 있다. 여기서, Cu-P-Sn-Ni 납재의 두께는, 5 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하가 되도록 형성된다.

Cu-P 계의 납재의 성분인 P 는, 납재의 융점을 저하시키는 작용 효과를 갖는 원소이다. 또, 이 P 는, P 가 산화됨으로써 발생하는 P 산화물에 의해, 납재 표면을 덮음으로써 납재의 산화를 방지함과 함께, 용융된 납재의 표면을 유동성이 양호한 P 산화물이 덮음으로써 납재의 젖음성을 향상시키는 작용 효과를 갖는 원소이다.

P 의 함유량이 3 mass％ 미만에서는, 납재의 융점을 저하시키는 효과가 충분히 얻어지지 않아 납재의 융점이 상승하거나, 납재의 유동성이 부족하여, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 부재 (12) 의 접합성이 저하되거나 할 우려가 있다. 또, P 의 함유량이 10 mass％ 초과에서는, 무른 금속간 화합물이 많이 형성되어, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 부재 (12) 의 접합성이나 접합 신뢰성이 저하될 우려가 있다.

이와 같은 이유로부터 Cu-P 계 납재에 함유되는 P 의 함유량은, 3 mass％ 이상 10 mass％ 이하의 범위 내가 바람직하다. 상기 Cu-P 계 납재에 함유되는 P의 함유량은, 6 mass％ 이상 8 mass％ 이하의 범위 내인 것이 더욱 바람직하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.

Cu-P 계의 납재의 성분의 일례인 Sn 은, 납재의 융점을 저하시키는 작용 효과를 갖는 원소이다. Sn 의 함유량이 0.5 mass％ 이상에서는, 납재의 융점을 확실하게 낮게 할 수 있다. 또, Sn 의 함유량이 25 mass％ 이하에서는, 납재의 저온 취화를 억제할 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 부재 (12) 의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이와 같은 이유로부터 Cu-P 계 납재에 Sn 을 함유시키는 경우, 그 함유량은 0.5 mass％ 이상 25 mass％ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

Cu-P 계의 납재의 성분의 일례인 Ni, Cr, Fe, Mn 등은, 세라믹스 기판 (11) 과 납재의 계면에 P 를 함유하는 금속간 화합물이 형성되는 것을 억제하는 작용 효과를 갖는 원소이다.

Ni, Cr, Fe, Mn 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 함유량이 합계로 2 mass％ 이상에서는, 세라믹스 기판 (11) 과 납재의 접합 계면에 P 를 함유하는 금속간 화합물이 형성되는 것을 억제할 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 부재 (12) 의 접합 신뢰성이 향상된다.

또, Ni, Cr, Fe, Mn 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 함유량이 합계로 20 mass％ 이하에서는, 납재의 융점이 상승하는 것을 억제하고, 납재의 유동성이 저하되는 것을 억제하여, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 부재 (12) 의 접합성을 향상시킬 수 있다.

이와 같은 이유로부터 Cu-P 계 납재에 Ni, Cr, Fe, Mn 중 어느 1 종 또는 2 종 이상을 함유시키는 경우, 그것들의 합계 함유량은 2 mass％ 이상 20 mass％ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

Cu-P 계의 납재의 성분의 일례인 Zn 은, 납재의 내산화성을 향상시키는 작용 효과를 갖는 원소이다.

Zn 의 함유량이 0.5 mass％ 이상에서는, 납재의 내산화성을 충분히 확보하여, 접합성을 향상시킬 수 있다. 또, Zn 의 함유량이 50 mass％ 이하에서는, 무른 금속간 화합물이 많이 형성되는 것을 방지하여, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 부재 (12) 의 접합 신뢰성을 확보할 수 있다.

이와 같은 이유로부터 Cu-P 계 납재에 Zn 을 함유시키는 경우, 그 함유량은 0.5 mass％ 이상 50 mass％ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

납재 (31) 는, 구성 원소의 성분의 분말을 혼합하여, 적절한 바인더를 개재하여 페이스트상으로 한 것 (납재 페이스트) 을, 세라믹스 기판 (11) 의 일면 (11a) 에 도포함으로써 형성된다.

활성 금속재 (32) 는, 적어도 활성 원소를 함유한다. 활성 금속재 (32) 의 성상으로는, 박, 분말, 분말에 적절한 바인더를 첨가하여 혼련한 페이스트 등을 들 수 있다.

본 실시형태에서는, 활성 금속재로서 Ti 박을 사용하고 있고, Ti 박의 두께는 0.5 ㎛ 이상 25 ㎛ 이하로 되어 있다. 또, Ti 박의 조성을 순도 99.4 mass％ 이상으로 해도 되고, 본 실시형태에서는 순도 99.6 mass％ 로 하고 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 활성 금속재 (32) 는, Cu 부재 (12) 측에 배치하고 있지만, 세라믹스 부재 (11) 측에 배치할 수도 있다. 이 경우, 적층체 (35) 의 적층 순서는, 세라믹스 부재 (11), 활성 금속재 (32), 납재 (31), 및 Cu 부재 (12) 의 순서가 된다.

다음으로, 도 5(c) 에 나타내는 바와 같이, 적층체 (35) 를, 진공 가열 처리로 (H) 에 넣고 적층체 (35) 를 가압하면서, 납재 (31) 의 용융 온도 (접합 온도) 이상이 될 때까지 가열한다 (가열 처리 공정). 이로써, 납재 (31) 가 용융된다. 그 후, 냉각되면, 도 5(d) 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 부재 (11) 와 Cu 부재 (12) 가 접합부 (13) 를 개재하여 접합된 접합체 (10) 가 얻어진다.

본 실시형태에서는, 가열 처리 공정에 있어서의 가열 처리 조건으로서, 적층체 (35) 의 적층 방향으로의 가압력 1 ∼ 35 kgf/㎠ (0.10 ∼ 3.43 ㎫), 진공 가열로 내의 압력 10^-6 ㎩ 이상 10^-3 ㎩ 이하, 가열 온도 700 ℃ 이상 850 ℃ 이하, 가열 시간 10 분 이상 60 분 이하로 각각 설정하였다.

가열 처리 공정에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 의 일면 (11a) 의 AlN 이 분해되어, Al 이 접합부 (13) 에 확산되는 정도까지 가열 처리를 실시한다. 즉, 도 2 에 나타내는, 얻어진 접합체 (10) 의 접합부 (13) 에 있어서, 활성 금속 화합물 영역 (16) 의 Cu 부재 (12) 측을 이루는 일면 (16a) 으로부터 Cu 부재 (12) 측을 향하여, 0.5 ㎛ ∼ 3 ㎛ 의 두께 범위 (E) 에 있어서의 Al 농도가 0.5 at％ 이상, 15 at％ 이하의 범위가 되도록 가열 처리를 실시한다.

이로써, 세라믹스 기판 (11) 을 구성하는 AlN 의 분해 정도가 적절한 범위가 되어, 세라믹스 기판 (11) 과 접합부 (13) 의 접합력을 높일 수 있다. 따라서, 접합체 (10) 의 세라믹스 기판 (11) 과 접합부 (13) 의 접합력을 높게 유지할 수 있고, 접합부 (13) 의 초기 박리율을 저감시키는 것이 가능해진다.

(파워 모듈용 기판 및 파워 모듈)

상기 서술한 접합체를 사용한 본 발명의 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈의 구성에 대해 설명한다. 또한, 도 1, 도 2 에 나타내는 접합체 (10) 와 동일한 구성에는 동일한 부호를 교부하고, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 6 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈을 나타내는 단면도이다.

파워 모듈 (1) 은, 파워 모듈용 기판 (40) 과, 이 파워 모듈용 기판 (40) 의 일방측 (도 6 에 있어서 상측) 의 면에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 파워 반도체 (전자 부품) (3) 를 구비하고 있다.

여기서, 땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 되어 있다.

파워 모듈용 기판 (40) 은, 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일면 (11a) (도 6 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 Cu 부재(회로층) (12) 와, 세라믹스 기판 (11) 및 Cu 부재 (12) 를 접합하는 접합부 (13) 로 이루어지는 접합체 (10) 를 구비하고 있다.

또, 파워 모듈용 기판 (40) 은, Cu 부재 (회로층) (12) 가 배치 형성된 세라믹스 기판 (11) 의 일면 (11a) 에 대해 반대면을 이루는 세라믹스 기판 (11) 의 타면 (11b) (도 6 에 있어서 하면) 에 금속층 (41) 을 구비하고 있다. 금속층 (41) 은, 예를 들어, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 금속판이 사용된다. 본 실시형태에서는, 금속층 (41) 으로서 무산소동으로 이루어지는 금속판을 사용하고 있다. 이 Cu 부재 (12) 의 두께는, 예를 들어, 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 ㎜ 인 것이 사용되고 있다.

파워 모듈용 기판 (40) 에 있어서의 Cu 부재 (회로층) (12) 는, 파워 모듈에 적용했을 때, 파워 반도체의 회로층을 구성한다. 즉, Cu 부재 (12) 는 파워 반도체의 도전체를 이룬다. 또, 세라믹스 기판 (11) 은 이 도전체의 하층측을 절연시키는 절연체를 이룬다.

이와 같은 파워 모듈용 기판 (40) 및 파워 모듈 (1) 에 의하면, 도 1 에 나타내는 접합체 (10) 를 적용함으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 부재 (회로층) (12) 를 접합하는 접합부 (13) 의 특정 영역의 Al 농도가 관리되고, 세라믹스 기판 (11) 과 접합부 (13) 의 접합력을 높게 유지한 파워 모듈용 기판 (40) 및 파워 모듈 (1) 을 실현할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 파워 모듈용 기판 (40) 으로서, 세라믹스 기판 (11) 의 타면 (11b) 에 금속층 (41) 을 형성하고 있지만, 이러한 금속층 (41) 을 특별히 형성하지 않는 구성이어도 된다. 또, 금속층 (41) 은, Cu 또는 Cu 합금에 한정되는 것이 아니고, 각종 금속을 사용할 수 있다. 예를 들어, Al 이나 Al 합금 등을 금속층으로서 적용할 수도 있다.

금속층 (41) 을 Al 이나 Al 합금에 의해 형성하면, 세라믹스 부재에 열 응력이 가해졌을 때, 이 열 응력을 Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 금속층에 의해 흡수할 수 있어, 세라믹스 부재의 열 응력에 의한 파손을 억제하는 것이 가능해진다. 금속층을 Al 이나 Al 합금에 의해 형성하는 경우, 금속층의 두께는 0.1 ㎜ ∼ 3.0 ㎜ 의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다.

실시예

(실시예 1)

표 1 에 기재된 재질로 이루어지는 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜ × 두께 0.635 ㎜) 의 일방의 면에, 표 1 에 기재된 납재 (37 ㎜ × 37 ㎜), 표 1 에 기재된 활성 금속재 (37 ㎜ × 37 ㎜), 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.3 ㎜) 을 순서대로 적층하여, 적층체를 형성하였다. 또한, 본 발명예 4 에 대해서는, Cu-7 mass％ P-15 mass％ Sn-10 mass％ Ni 분말과 Ti 분말로 이루어지는 페이스트를 납재 및 활성 원소로서 사용하였다. 또한, 페이스트의 도포 두께는 80 ㎛ 로 하였다.

그리고, 적층체를 적층 방향으로 압력 5 kgf/㎠ (0.49 ㎫) 로 가압한 상태에서 진공 가열로에 투입하고, 가열함으로써 세라믹스 기판의 일방의 면에 Cu 판을 접합하였다. 가열 온도 및 시간은 표 1 에 기재된 바와 같이 하였다.

이와 같이 하여, 본 발명예 1 ∼ 8, 비교예 1 ∼ 3 의 접합체를 얻었다. 얻어진 접합체의 「활성 금속 화합물 영역의 유무」「접합부에 있어서의 Al 농도」「접합률」에 대해 평가하였다.

(활성 금속 화합물 영역의 유무)

접합체의 단면을 EPMA (전자선 마이크로 애널라이저, 니혼 전자 주식회사 제조 JXA-8530F) 에 의해 배율 10000 배로 측정하여, 세라믹스 기판에 함유되는 원소 (AlN 의 경우에는 N, Al₂O₃ 의 경우에는 O) 및 활성 금속 원소의 원소 매핑을 취득한다. 얻어진 매핑에 있어서, 활성 금속 원소와 세라믹스 기판에 함유되는 원소가 동일 영역에 존재하는 경우에 활성 금속 화합물 영역이 있다고 판단하였다.

도 7 에, 활성 금속 화합물 영역의 관찰예를 나타낸다. 이 도 7 에 있어서는, 활성 금속 원소 (Ti) 와 세라믹스 기판 (AlN) 에 함유되는 원소 (N) 가 동일 영역에 존재하고 있고, 활성 금속 화합물 영역이 있다고 판단된다.

(접합부에 있어서의 Al 농도)

접합부에 있어서의 Al 농도의 측정 방법으로는, 접합부의 단면을 EPMA (전자선 마이크로 애널라이저, 니혼 전자 주식회사 제조 JXA-8530F) 에 의해 분석하고, 활성 금속 화합물 영역의 일면으로부터 0.5 ㎛ ∼ 3 ㎛ 의 범위를 정량 분석하여 Al 농도를 측정하였다. 구체적으로는 상기 범위 내의 임의 지점 10 점을 분석하여, 그 평균값을 Al 농도로 하였다.

(냉열 사이클 시험)

냉열 사이클 시험은, 냉열 충격 시험기 (에스펙 주식회사 제조 TSB-51) 를 사용하여, 파워 모듈용 기판에 대해, 액상 (플루어리너트) 으로, -40 ℃ 에서 5 분과 150 ℃ 에서 5 분의 사이클로 2000 사이클을 실시하였다.

(접합률)

접합률의 평가는, 접합체에 대해, 세라믹스 기판과 Cu 부재의 계면의 접합률에 대해 초음파 탐상 장치 (주식회사 히타치 파워 솔루션즈 제조 FineSAT200) 를 사용하여 평가하고, 이하의 식으로부터 접합률을 산출하였다.

여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 하는 면적, 즉 본 실시예에서는 Cu 부재의 면적 (37 ㎜ × 37 ㎜) 으로 하였다. 초음파 탐상 이미지를 2 치화 처리한 화상에 있어서 박리는 접합부 내의 백색부에서 나타나는 것으로부터, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 하였다.

(접합률 (％)) ＝ {(초기 접합 면적) － (박리 면적)}/(초기 접합 면적) × 100

접합률의 평가는, 냉열 사이클 시험을 실시하기 전 (초기 접합률) 및 냉열 사이클 시험 후에 실시하였다.

결과를 표 1 에 나타낸다.

(실시예 2)

(본 발명예 9 ∼ 10)

실시예 1 에서 얻어진 접합체를 사용하여, 세라믹스 기판의 타방의 면에 Al-Si 계 납재를 개재하여 순도 99.99 mass％ 이상의 알루미늄 (4N-Al) 을 접합하고, 금속층을 형성한 파워 모듈용 기판을 제조하였다. 본 발명예 9 에서는 본 발명예 2 의 접합체를, 본 발명예 10 에서는 본 발명예 8 의 접합체를 사용하였다. 또한, 실시예 9 ∼ 10 에서는, Al-Si 계 납재로서 Al-7 mass％ Si 납재를 사용하였다.

(본 발명예 11 ∼ 12)

세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, Cu-7 mass％ P-15 mass％ Sn-10 mass％ Ni 납재, Ti 박, 무산소동 (OFC) 으로 이루어지는 Cu 판을 순서대로 적층하여, 적층체를 형성하였다. 그 적층체를 적층 방향으로 가압한 상태에서 진공 가열로에 투입하고, 가열함으로써 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에 Cu 판이 접합된 파워 모듈용 기판을 제조하였다. 본 발명예 11 에서는 세라믹스 기판으로서 AlN 을, 본 발명예 12 에서는 Al₂O₃ 을 사용하였다.

얻어진 본 발명예 9 ∼ 12 의 파워 모듈용 기판에 대해, 회로층 (세라믹스 기판의 일방의 면) 의 접합률을 평가하였다. 평가 방법은 실시예 1 의 기재와 동일하게 하였다.

결과를 표 2 에 나타낸다.

표 1 에 나타내는 결과로부터, 본 발명예 1 ∼ 8 에 대해서는, Al 농도가 0.5 at％ 이상, 15 at％ 이하의 범위이기 때문에, 세라믹스 기판과 Cu 판의 초기의 접합률이 높아, 강고하게 접합되어 있는 것이 확인되었다. 또, 냉열 사이클 후의 접합률도 높아, 접합 신뢰성이 우수한 Cu 판과 세라믹스 기판의 접합체가 얻어졌다.

한편, 비교예 1 및 비교예 2 는, Al 농도가 0.5 at％ 이상, 15 at％ 이하의 범위에서 벗어나 있기 때문에, 세라믹스 기판과 Cu 판의 초기 접합률 및 냉열 사이클 후의 접합률이, 본 발명예와 비교하여 뒤떨어졌다. 또, 접합시에 활성 금속재를 사용하지 않은 비교예 3 에서는, Cu 판과 세라믹스 기판이 접합되지 않았다.

또, 표 2 에 나타내는 결과로부터, 본 발명예 9 ∼ 12 에 대해서는, 냉열 사이클 시험 후의 접합률이 높고, 접합 신뢰성이 높은 것이 확인되었다.

산업상 이용가능성

본 발명에 관련된 접합체, 및 그 제조 방법, 파워 모듈용 기판에 의하면, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 접합 신뢰성을 높게 할 수 있다. 그 때문에, 본 발명에 관련된 접합체의 제조 방법에 의하면, 풍력 발전, 전기 자동차 등의 전기 차량 등을 제어하기 위해서 사용되는 대전력 제어용의 파워 반도체 소자와 같은, 사용 환경이 엄격한 파워 모듈에 바람직한 접합체 및 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.

1 : 파워 모듈
3 : 파워 반도체 (전자 부품)
10 : 접합체
11 : 세라믹스 기판 (세라믹스 부재)
12 : Cu 부재
13 : 접합부
31 : 납재
32 : 활성 금속재
40 : 파워 모듈용 기판
41 : 금속층

Claims

Al 을 함유하는 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재가 접합되어 이루어지는 접합체로서,
상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재 사이에는 활성 금속재와 Cu-P 계 납재를 이용하여 형성되는 접합부가 형성되고, 그 접합부의 세라믹스 부재측에는, 활성 금속을 함유하는 화합물로 이루어지는 활성 금속 화합물 영역이 형성되고,
그 활성 금속 화합물 영역의 상기 Cu 부재측을 이루는 일면으로부터, 상기 Cu 부재측을 향하여, 0.5 ㎛ ∼ 3 ㎛ 의 두께 범위에 있어서의 상기 접합부의 Al 농도가 0.5 at％ 이상, 15 at％ 이하의 범위인, 접합체.
제 1 항에 있어서,
상기 활성 금속 화합물 영역의 상기 일면은 요철을 갖는 면이고, 상기 두께 범위는, 상기 요철 중 가장 상기 Cu 부재에 가까운 지점으로부터의 범위인, 접합체.
제 1 항에 있어서,
상기 세라믹스 부재는 AlN, Al₂O₃ 중 어느 하나로 구성되는, 접합체.
제 1 항에 있어서,
상기 활성 금속 화합물 영역은, 활성 금속의 질화물, 활성 금속의 산화물 중, 어느 하나를 함유하는, 접합체.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 접합체를 구비한 파워 모듈용 기판으로서,
상기 Cu 부재를 회로층으로서 사용하고, 상기 세라믹스 부재에 있어서 상기 회로층이 접합되는 면의 반대면에 금속층을 형성한, 파워 모듈용 기판.
제 5 항에 있어서,
상기 금속층은 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는, 파워 모듈용 기판.
제 5 항에 있어서,
상기 금속층은 Al 또는 Al 합금으로 이루어지는, 파워 모듈용 기판.
제 5 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 상기 회로층 중 상기 세라믹스 부재와는 반대측의 면에 접합된 전자 부품을 구비한, 파워 모듈.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 접합체의 제조 방법으로서,
Cu-P 계 납재와, 활성 금속을 함유하는 활성 금속재를 개재하여, 상기 세라믹스 부재에 상기 Cu 부재를 적층시킨 적층체를 형성하는 적층 공정과,
상기 적층체를 가열 처리하여, 상기 Cu-P 계 납재를 용융시킴과 함께, 상기 세라믹스 부재에 함유되는 Al 을 상기 Cu-P 계 납재를 향하여 확산시키는 가열 처리 공정을 구비하고 있는, 접합체의 제조 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 Cu-P 계 납재는, P 를 3 mass％ 이상 10 mass％ 이하 함유하는, 접합체의 제조 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 Cu-P 계 납재는, Cu-P 납재, Cu-P-Sn 납재, Cu-P-Sn-Ni 납재, Cu-P-Zn 납재 중에서 선택되는 어느 1 종인, 접합체의 제조 방법.