KR20150129720A - 접합체, 파워 모듈용 기판, 및 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 - Google Patents

접합체, 파워 모듈용 기판, 및 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 Download PDF

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노부유키 데라사키
요시유키 나가토모
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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

알루미늄으로 이루어지는 알루미늄 부재와, 구리, 니켈, 또는 은으로 이루어지는 금속 부재가 접합된 접합체로서, 상기 알루미늄 부재와 상기 금속 부재의 접합부에는, 상기 금속 부재측에 위치하는 Ti 층 (15) 과, 상기 Ti 층 (15) 과 상기 알루미늄 부재 사이에 위치하고 Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al-Ti-Si 층 (16) 이 형성되어 있고, 상기 Al-Ti-Si 층 (16) 은, 상기 Ti 층 (15) 측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층 (16A) 과, 상기 알루미늄 부재측에 형성되고 상기 제 1 Al-Ti-Si 층 (16A) 보다 Si 농도가 낮은 제 2 Al-Ti-Si 층 (16B) 을 구비하고 있다.

Description

접합체, 파워 모듈용 기판, 및 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판{BONDED BODY, SUBSTRATE FOR POWER MODULES, AND SUBSTRATE WITH HEAT SINK FOR POWER MODULES}
본 발명은, 알루미늄 부재와, 구리, 니켈, 또는 은으로 이루어지는 금속 부재가 접합되어 이루어지는 접합체, 파워 모듈용 기판, 및 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 관한 것이다.
본원은, 2013년 3월 14일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2013-052408호 및 일본 특허출원 2013-052409호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
LED 나 파워 모듈 등의 반도체 장치에 있어서는, 도전 재료로 이루어지는 회로층 상에 반도체 소자가 접합된 구조로 되어 있다.
풍력 발전, 전기 자동차 등의 전기 차량 등을 제어하기 위해서 사용되는 대전력 제어용의 파워 반도체 소자에 있어서는, 발열량이 많으므로, 이것을 탑재하는 기판으로는, 예를 들어 AlN (질화알루미늄) 등으로 이루어지는 세라믹스 기판 (절연층) 의 일방의 면, 또는 양방의 면에 도전성이 우수한 금속판을 접합했을 경우, 일방의 면의 금속판을 회로층으로 하고, 타방의 면의 금속판을 금속층으로 한 파워 모듈용 기판이 종래부터 널리 사용되고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에 나타내는 파워 모듈에 있어서는, 세라믹스 기판의 일방의 면에 Al 로 이루어지는 회로층 (알루미늄 부재) 및 타방의 면에 Al 로 이루어지는 금속층이 형성된 파워 모듈용 기판과, 이 회로층 상에 땜납재를 개재하여 접합된 반도체 소자를 구비한 구조로 되어 있다. 그리고, 파워 모듈용 기판의 하측에는 히트 싱크가 접합되어 있고, 반도체 소자에서 발생한 열을 파워 모듈용 기판측에 전달하여, 히트 싱크를 통해 외부로 방산시키는 구성으로 되어 있다.
그런데, 특허문헌 1 에 기재된 파워 모듈과 같이, 회로층을 Al 로 구성한 경우에는, 표면에 Al 의 산화 피막이 형성되기 때문에, 땜납재에 의해 반도체 소자를 접합할 수 없다. 또, 금속층을 Al 로 구성한 경우에는, 표면에 Al 의 산화 피막이 형성되기 때문에, 땜납재에 의해 히트 싱크를 접합할 수 없다.
그래서, 종래에는, 예를 들어 특허문헌 2 에 개시되어 있는 바와 같이, 회로층이나 금속층, 히트 싱크의 표면에 무전해 도금 등에 의해 Ni 도금막을 형성한 후에 땜납재로 접합하고 있다.
또, 특허문헌 3 에는, 땜납재의 대체로서, 산화은 입자와 유기물로 이루어지는 환원제를 함유하는 산화은 페이스트를 사용하여 반도체 소자, 금속층 및 히트 싱크 등을 접합하는 기술이 제안되어 있다.
또한, 특허문헌 4 에는, 회로층 및 금속층을 Al 층과 Cu 층으로 구성한 파워 모듈이 제안되어 있다. 이 경우, 회로층 및 금속층의 표면에는 Cu 층이 배치되기 때문에, 땜납재를 사용하여 반도체 소자를 양호하게 접합할 수 있다. 또, Cu 는 Al 에 비해 변형 저항이 크므로, 이 파워 모듈에 히트 사이클이 부하되었을 때, 회로층 표면 및 금속층 표면이 크게 변형되는 것을 억제할 수 있고, 땜납층에 있어서의 크랙의 발생을 방지하여, 반도체 소자와 회로층의 접합 신뢰성 및 금속층과 히트 싱크의 접합 신뢰성을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 특허문헌 4 에 기재된 파워 모듈에 있어서는, 회로층 및 금속층으로서, Al 층과 Cu 층이 Ti 층을 개재하여 접합된 접합체가 사용되고 있다. 여기서, Al 층과 Ti 층 사이에는 확산층이 형성되어 있고, 이 확산층은, Al 층측으로부터 순서대로 Al-Ti 층, Al-Ti-Si 층, Al-Ti-Cu 층을 가지고 있다.
일본 특허 제3171234호 일본 공개특허공보 2004-172378호 일본 공개특허공보 2008-208442호 일본 특허 제3012835호
그런데, 특허문헌 2 에 기재된 바와 같이, 회로층 표면 및 금속층 표면에 Ni 도금막을 형성한 파워 모듈용 기판에 있어서는, 회로층에 반도체 소자를 접합할 때까지의 과정 및 금속층에 히트 싱크를 접합할 때까지의 과정에 있어서 Ni 도금막의 표면이 산화 등에 의해 열화되어, 땜납재를 개재하여 접합된 반도체 소자와의 접합 신뢰성 및 땜납재를 개재하여 접합된 히트 싱크와의 접합 신뢰성이 저하될 우려가 있었다. 또, Ni 도금 공정에서는, 불필요한 영역에 Ni 도금이 형성되어 전식 (電食) 등의 트러블이 발생하지 않도록 마스킹 처리를 실시하는 경우가 있다. 이와 같이, 마스킹 처리를 한 후에 도금 처리를 하는 경우, 회로층 부분 및 금속층 부분에 Ni 도금막을 형성하는 공정에 다대한 노력이 필요하여, 파워 모듈의 제조 비용이 대폭 증가해 버린다는 문제가 있다.
또한, 특허문헌 3 에 기재된 바와 같이, 산화은 페이스트를 사용하여 회로층과 반도체 소자를 접합하는 경우 및 산화은 페이스트를 사용하여 금속층과 히트 싱크를 접합하는 경우에는, Al 과 산화은 페이스트의 소성체의 접합성이 나쁘기 때문에, 미리 회로층의 표면 및 금속층의 표면에 Ag 하지층을 형성할 필요가 있었다.
또, 특허문헌 4 에 기재된 파워 모듈에 있어서는, 회로층 중 Al 층과 Ti 층의 접합 계면에, 딱딱한 Al-Ti 층이나 Al-Ti-Cu 층이 형성되고, 또, 금속층 중 Al 층과 Ti 층의 접합 계면에, 딱딱한 Al-Ti 층이나 Al-Ti-Cu 층이 형성되어 있으므로, 히트 사이클이 부하되었을 때에 크랙의 기점이 된다는 문제가 있었다.
나아가서는, Al 층 상에 Ti 박 (箔) 을 개재하여 Cu 판 등을 적층하고, Al 층과 Ti 박의 계면이 용융되는 온도까지 가열하는 경우, 접합 계면에 액상이 생성되어 돌기가 생기거나, 두께가 변동되거나 하기 때문에, 접합 신뢰성이 저하되는 문제가 있었다.
여기서, 특허문헌 2 의 Ni 도금의 대체로서, 특허문헌 4 에 기재된 바와 같이, Al 로 이루어지는 회로층 및 Al 로 이루어지는 금속층 상에 Ti 박을 개재하여 Ni 판을 접합하여 Ni 층을 형성하는 것도 생각할 수 있다. 나아가서는, 특허문헌 3 의 산화은 페이스트를 사용할 때, Al 로 이루어지는 회로층 및 Al 로 이루어지는 금속층 상에 Ti 박을 개재하여 Ag 판을 접합하여 Ag 하지층을 형성하는 것도 생각할 수 있다.
그러나, 특허문헌 4 에 기재된 방법으로 Ni 층이나 Ag 층을 형성하면, Cu 층을 형성했을 경우와 동일하게, Al 층과 Ti 층의 접합 계면에, Al-Ti 층, Al-Ti-Ni 층, Al-Ti-Ag 층 등의 딱딱한 층이 형성되거나, 접합 계면에 돌기가 생기거나 하는 것 등에 의해, 접합 신뢰성이 저하될 우려가 있었다.
이상과 같이, 종래는, 알루미늄 부재와, 구리, 니켈, 은 중 어느 것으로 이루어지는 금속 부재를 양호하게 접합할 수 없어, 접합 신뢰성이 우수한 접합체를 얻을 수 없었다. 또, 종래는, Al 층과, Cu, Ni, Ag 중 어느 것으로 이루어지는 금속 부재층을 양호하게 접합할 수 없어, 접합 신뢰성이 우수한 금속층을 갖는 파워 모듈용 기판을 얻을 수 없었다.
본 발명은 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 알루미늄 부재와, 구리, 니켈, 은 중 어느 것으로 이루어지는 금속 부재가 양호하게 접합되어, 히트 사이클이 부하되었을 때에 접합부에 있어서의 크랙의 발생을 억제할 수 있어, 접합 신뢰성이 양호한 접합체, 파워 모듈용 기판, 및 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또, Al 층과, 구리, 니켈, 은 중 어느 것으로 이루어지는 금속 부재층을 갖는 금속층에 있어서, Al 층과 금속 부재층이 양호하게 접합되어, 히트 사이클이 부하되었을 때에 접합부에 있어서의 크랙의 발생을 억제할 수 있어, 접합 신뢰성이 양호한 파워 모듈용 기판, 및 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 과제를 해결하기 위해서, (1) 본 발명의 일 양태에 있어서의 접합체는, 알루미늄으로 이루어지는 알루미늄 부재와, 구리, 니켈, 또는 은으로 이루어지는 금속 부재가 접합된 접합체로서, 상기 알루미늄 부재와 상기 금속 부재의 접합부에는, 상기 금속 부재측에 위치하는 Ti 층과, 상기 Ti 층과 상기 알루미늄 부재 사이에 위치하고, Al3Ti 에 Si 가 고용 (固溶) 된 Al-Ti-Si 층이 형성되어 있고, 상기 Al-Ti-Si 층은, 상기 Ti 층측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층과, 상기 알루미늄 부재측에 형성되고 상기 제 1 Al-Ti-Si 층보다 Si 농도가 낮은 제 2 Al-Ti-Si 층을 구비하고 있다.
상기의 접합체에 의하면, 알루미늄으로 이루어지는 알루미늄 부재와, 구리, 니켈, 또는 은으로 이루어지는 금속 부재의 접합부에는, Ti 층과, Al-Ti-Si 층이 형성되어 있고, 딱딱한 Al-Ti-Cu 층이나 Al-Ti 층 등이 형성되어 있지 않기 때문에, 히트 사이클이 부하되었을 때, 접합부에 크랙이 발생하는 것을 억제하여, 알루미늄 부재와 금속 부재의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, Ti 층측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층이 알루미늄 부재측에 형성된 제 2 Al-Ti-Si 층의 Si 농도보다 높기 때문에, Si 농도가 높은 제 1 Al-Ti-Si 층에 의해 Ti 원자가 알루미늄 부재측으로 확산되는 것이 억제되어, 제 1 Al-Ti-Si 층 및 제 2 Al-Ti-Si 층의 두께를 얇게 할 수 있어, 히트 사이클이 부하되었을 때, 접합부에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 있어서, 알루미늄은 순알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된 것으로 하고, 금속 부재는, 구리 또는 구리 합금, 니켈 또는 니켈 합금, 혹은 은 또는 은 합금으로 구성된 것으로 하고 있다.
(2) 본 발명의 다른 양태에 있어서의 접합체는, (1) 에 기재된 접합체로서, 상기 접합체에 있어서, 상기 제 2 Al-Ti-Si 층에 함유되는 Si 농도가 1 at％ 이상이다.
이 경우, 알루미늄 부재측에 형성된 제 2 Al-Ti-Si 층이 충분한 Si 농도를 가지고 있으므로, 알루미늄 부재를 구성하는 Al 원자가 Ti 층측에 과잉으로 확산되는 것이 억제되어, 제 1 Al-Ti-Si 층, 및 제 2 Al-Ti-Si 층의 두께를 얇게 할 수 있다.
(3) 본 발명의 다른 양태에 있어서의 파워 모듈용 기판은, 절연층과, 상기 절연층의 일방의 면에 형성된 회로층을 구비하고, 상기 회로층이 (1) 또는 (2) 에 기재된 접합체로 이루어지고, 상기 회로층은, 상기 절연층의 일방의 면에 형성되고, 상기 알루미늄 부재로 이루어지는 Al 층과, 이 Al 층의 일방의 면에 형성되고, 상기 금속 부재로 이루어지는 금속 부재층을 갖고, 상기 Al 층과 상기 금속 부재층의 접합부에는, 상기 금속 부재층측에 위치하는 Ti 층과, 상기 Ti 층과 상기 Al 층 사이에 위치하고, Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al-Ti-Si 층이 형성되어 있고, 상기 Al-Ti-Si 층은, 상기 Ti 층측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층과, 상기 Al 층측에 형성되고 상기 제 1 Al-Ti-Si 층보다 Si 농도가 낮은 제 2 Al-Ti-Si 층을 구비하고 있다.
상기의 파워 모듈용 기판에 의하면, 회로층에 있어서, Al 층과 금속 부재층의 접합부에는, Ti 층과 Al-Ti-Si 층이 형성되어 있고, 딱딱한 Al-Ti-Cu 층이나 Al-Ti 층 등이 형성되어 있지 않기 때문에, 히트 사이클이 부하되었을 때, 회로층에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 파워 모듈에 있어서, 반도체 소자와 파워 모듈용 기판의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, Ti 층측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층의 Si 농도가, Al 층측에 형성된 제 2 Al-Ti-Si 층의 Si 농도보다 높기 때문에, Ti 원자가 Al 층측으로 확산되는 것이 억제되어, 제 1 Al-Ti-Si 층, 및 제 2 Al-Ti-Si 층의 두께를 얇게 할 수 있다.
또, 이 경우, 절연층의 일방의 면에 비교적 변형 저항이 작은 Al 층이 형성되어 있으므로, 히트 사이클이 부하되었을 때에 생기는 열응력을 Al 층이 흡수하여, 세라믹스 기판에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또한, Al 층의 일방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 Cu 층이 형성되어 있는 경우, Cu 층은 Al 층에 비해 변형 저항이 크므로, 히트 사이클이 부하되었을 때에 회로층의 변형이 억제되고, 반도체 소자와 회로층을 접합하는 땜납층의 변형을 억제하여, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또, 열전도율이 양호한 Cu 층이 회로층의 일방측에 형성되어 있으므로, 반도체 소자로부터의 열을 확산시켜 효율적으로 파워 모듈용 기판측에 전달할 수 있다.
또, Al 층의 일방의 면에 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 Ni 층이 형성되어 있는 경우, 납땜성이 양호해져, 반도체 소자와의 접합 신뢰성이 향상된다.
또, Al 층의 일방의 면에 은 또는 은 합금으로 이루어지는 Ag 층이 형성되어 있는 경우, 예를 들어 산화은 입자와 유기물로 이루어지는 환원제를 함유하는 산화은 페이스트를 사용하여 반도체 소자를 접합할 때, 산화은이 환원된 은과 Ag 층이 동종의 금속끼리의 접합이 되기 때문에, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또, 열전도율이 양호한 Ag 층이 회로층의 일방측에 형성되어 있으므로, 반도체 소자로부터의 열을 확산시켜 효율적으로 파워 모듈용 기판측에 전달할 수 있다.
(4) 본 발명의 다른 양태에 있어서의 파워 모듈용 기판은, (3) 에 기재된 파워 모듈용 기판으로서, 상기 절연층의 타방의 면에 형성된 금속층을 구비하고, 상기 금속층이 (1) 또는 (2) 에 기재된 접합체로 이루어지고, 상기 금속층은, 상기 절연층의 타방의 면에 형성되고, 상기 알루미늄 부재로 이루어지는 Al 층과, 이 Al 층 중 상기 절연층이 형성된 면과 반대측의 면에 형성되고, 상기 금속 부재로 이루어지는 금속 부재층을 갖고, 상기 Al 층과 상기 금속 부재층의 접합부에는, 상기 금속 부재층측에 위치하는 Ti 층과, 상기 Ti 층과 상기 Al 층 사이에 위치하고, Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al-Ti-Si 층이 형성되어 있고, 상기 Al-Ti-Si 층은, 상기 Ti 층측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층과, 상기 Al 층측에 형성되고 상기 제 1 Al-Ti-Si 층보다 Si 농도가 낮은 제 2 Al-Ti-Si 층을 구비한 구성으로 되어 있다.
이 경우, 금속층에 있어서, Al 층과 금속 부재층의 접합부에는, Ti 층과 제 1 Al-Ti-Si 층이 형성되어 있고, 딱딱한 Al-Ti-Cu 층이나 Al-Ti 층 등이 형성되어 있지 않기 때문에, 히트 사이클이 부하되었을 때, 금속층에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 금속층과 히트 싱크를 접합했을 경우에, 금속층과 히트 싱크의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
(5) 본 발명의 다른 양태에 있어서의 파워 모듈용 기판은, 절연층과, 이 절연층의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 절연층의 타방의 면에 형성된 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판으로서, 상기 금속층은 (1) 또는 (2) 에 기재된 접합체로 이루어지고, 상기 알루미늄 부재로 이루어지는 Al 층과 상기 금속 부재로 이루어지는 금속 부재층의 접합부에는, 상기 금속 부재층측에 위치하는 Ti 층과, 상기 Ti 층과 상기 Al 층 사이에 위치하고, Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al-Ti-Si 층이 형성되어 있고, 상기 Al-Ti-Si 층은, 상기 Ti 층측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층과, 상기 Al 층측에 형성되고 상기 제 1 Al-Ti-Si 층보다 Si 농도가 낮은 제 2 Al-Ti-Si 층을 구비하고 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 알루미늄은 순알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된 것으로 하고, 구리는 순구리 또는 구리 합금, 니켈은 순니켈 또는 니켈 합금, 은은 순은 또는 은 합금으로 구성된 것으로 하고 있다.
상기의 파워 모듈용 기판에 의하면, 금속층에 있어서, Al 층과 금속 부재층의 접합부에는, Ti 층과 Al-Ti-Si 층이 형성되어 있고, 딱딱한 Al-Ti-Cu 층이나 Al-Ti 층 등이 형성되어 있지 않기 때문에, 히트 사이클이 부하되었을 때, 금속층에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 파워 모듈용 기판의 금속층이 히트 싱크에 접합되었을 경우, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, Ti 층측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층의 Si 농도가, Al 층측에 형성된 제 2 Al-Ti-Si 층의 Si 농도보다 높기 때문에, Ti 원자가 Al 층측으로 확산되는 것이 억제되어, 제 1 Al-Ti-Si 층, 및 제 2 Al-Ti-Si 층의 두께를 얇게 할 수 있다.
또, 이 경우, 절연층의 타방의 면에 비교적 변형 저항이 작은 Al 층이 형성되어 있으므로, 히트 사이클이 부하되었을 때에 생기는 열응력을 Al 층이 흡수하여, 세라믹스 기판에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또한, Al 층 중 절연층이 형성된 면과 반대측의 면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 Cu 층이 형성되어 있는 경우, Cu 층은 Al 층에 비해 변형 저항이 크므로, 히트 사이클이 부하되었을 때에 금속층의 변형이 억제되고, 히트 싱크와 금속층을 접합하는 접합층의 변형을 억제하여, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또, Al 층 중 절연층이 형성된 면과 반대측의 면에, 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 Ni 층이 형성되어 있는 경우, 납땜성이 양호해져, 히트 싱크와의 접합 신뢰성이 향상된다.
또, Al 층 중 절연층이 형성된 면과 반대측의 면에, 은 또는 은 합금으로 이루어지는 Ag 층이 형성되어 있는 경우, 예를 들어 산화은 입자와 유기물로 이루어지는 환원제를 함유하는 산화은 페이스트를 사용하여 히트 싱크를 접합할 때, 산화은이 환원된 은과 Ag 층이 동종의 금속끼리의 접합이 되기 때문에, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
(6) 본 발명의 다른 양태에 있어서의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, (3) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 파워 모듈용 기판과, 상기 금속층에 접합된 히트 싱크를 구비하고 있다.
상기의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 의하면, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크가 접합되어 있으므로, 히트 싱크를 통해 파워 모듈용 기판측으로부터의 열을 효율적으로 방산시킬 수 있다.
(7) 본 발명의 다른 양태에 있어서의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, (6) 에 기재된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판으로서, 상기 금속층과 상기 히트 싱크가 땜납층을 개재하여 접합되어 있다.
이 경우, 금속층 중 히트 싱크측에 형성된 구리, 니켈, 또는 은으로 이루어지는 금속 부재층과, 히트 싱크가 땜납층을 개재하여 접합되어 있으므로, 금속 부재층과 땜납층을 양호하게 접합할 수 있어, 금속층과 히트 싱크의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
(8) 본 발명의 다른 양태에 있어서의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 절연층과, 이 절연층의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 절연층의 타방의 면에 형성된 금속층과, 이 금속층에 접합된 히트 싱크를 구비하고, 상기 금속층과 상기 히트 싱크가 (1) 또는 (2) 에 기재된 접합체로 이루어지고, 상기 금속층 및 상기 히트 싱크의 접합면의 일방이 알루미늄으로 구성되고, 상기 금속층 및 상기 히트 싱크의 접합면의 타방이 구리, 니켈, 또는 은으로 구성되고, 상기 금속층과 상기 히트 싱크의 접합부에는, 상기 접합면이 구리, 니켈, 또는 은으로 이루어지는 상기 금속층 또는 상기 히트 싱크측에 위치하는 Ti 층과, 상기 접합면이 알루미늄으로 이루어지는 상기 금속층 또는 상기 히트 싱크와, 상기 Ti 층 사이에 위치하고, Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al-Ti-Si 층이 형성되어 있고, 상기 Al-Ti-Si 층은, 상기 Ti 층측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층과, 상기 접합면이 알루미늄으로 이루어지는 상기 금속층 또는 상기 히트 싱크측에 형성되고 상기 제 1 Al-Ti-Si 층보다 Si 농도가 낮은 제 2 Al-Ti-Si 층을 구비하고 있다.
상기의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 의하면, 금속층과 히트 싱크의 접합부에는, Ti 층과 Al-Ti-Si 층이 형성되어 있고, 딱딱한 Al-Ti-Cu 층이나 Al-Ti 층 등이 형성되어 있지 않기 때문에, 히트 사이클이 부하되었을 때, 금속층과 히트 싱크의 접합부에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있어, 접합 신뢰성의 향상을 도모할 수 있다.
본 발명에 의하면, 알루미늄 부재 (Al 층) 와, 구리, 니켈, 은 중 어느 것으로 이루어지는 금속 부재 (금속 부재층) 가 양호하게 접합되어, 히트 사이클이 부하되었을 때에 접합부에 있어서의 크랙의 발생을 억제할 수 있어, 접합 신뢰성이 양호한 접합체, 파워 모듈용 기판, 및 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는 도 1 의 Al 층과 Ti 층의 접합 계면의 확대 설명도이다.
도 3 은 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 4 는 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 5 는 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 6 은 도 5 의 금속층과 Ti 층의 접합 계면의 확대 설명도이다.
도 7 은 제 2 실시형태에 관련된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 8 은 제 2 실시형태에 관련된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 9 는 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 10 은 본 발명의 제 4 실시형태에 관련된 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 11 은 본 발명예 1-1 의 접합체에 있어서의 알루미늄 부재와 금속 부재의 접합부의 SEM 이미지이다.
도 12 는 비교예 1-1 의 접합체에 있어서의 알루미늄 부재와 금속 부재의 접합부의 SEM 이미지이다.
도 13 은 본 발명의 제 5 실시형태에 관련된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 14 는 제 5 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 15 는 도 14 의 금속층에 있어서의 Ti 층과 Al 층의 접합부의 확대 설명도이다.
도 16 은 제 5 실시형태에 관련된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 17 은 제 5 실시형태에 관련된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 18 은 본 발명의 제 6 실시형태에 관련된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 19 는 본 발명의 제 7 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 개략 설명도이다.
(제 1 실시형태)
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 먼저, 본 발명의 제 1 실시형태에 대해 설명한다.
도 1 에, 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈 (1) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (1) 은, 파워 모듈용 기판 (10) 과, 이 파워 모듈용 기판 (10) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 절연층을 구성하는 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면이고, 제 1 면) 에 배치 형성된 회로층 (12) (접합체) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (제 2 면) 에 배치 형성된 금속층 (13) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄), Si3N4 (질화규소), Al2O3 (알루미나) 등으로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 방열성이 우수한 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내에서 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 배치 형성된 Al 층 (12A) 과, 이 Al 층 (12A) 의 일방의 면에 Ti 층 (15) 을 개재하여 적층된 Cu 층 (12B) (금속 부재층) 을 가지고 있다.
Al 층 (12A) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판 (알루미늄 부재) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, Al 층 (12A) 은, 순도 99 질량％ 이상의 알루미늄 (이른바 2N 알루미늄) 의 압연판을 접합함으로써 형성되어 있다. 상기 순도 99 질량％ 이상의 알루미늄의 압연판에는, 0.08 질량％ 이상 0.95 질량％ 이하의 Si 가 함유되어 있으면 된다. 또한, 접합되는 알루미늄판의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내에서 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.4 ㎜ 로 설정되어 있다.
Cu 층 (12B) 은, Al 층 (12A) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에, Ti 층 (15) 을 개재하여 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (금속 부재) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, Cu 층 (12B) 은, 무산소 구리의 압연판이 Al 층 (12A) 에 Ti 박을 개재하여 고상 확산 접합됨으로써 형성되어 있다. 또한, 접합되는 구리판의 두께는 0.1 ㎜ 이상 6.0 ㎜ 이하의 범위 내에서 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 1.0 ㎜ 로 설정되어 있다.
Ti 층 (15) 은, Al 층 (12A) 과 구리판이 티탄박을 개재하여 적층되고, 고상 확산 접합됨으로써 형성되는 것이다. 여기서, 티탄박의 순도는 99 ％ 이상으로 되어 있다. 또, 티탄박의 두께는 3 ㎛ 이상 40 ㎛ 이하로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 10 ㎛ 로 설정되어 있다.
그리고, Al 층 (12A) 과 Ti 층 (15) 의 접합 계면에는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al-Ti-Si 층 (16) 이 형성되어 있다.
Al-Ti-Si 층 (16) 은, Al 층 (12A) 의 Al 원자와, Ti 층 (15) 의 Ti 원자가 상호 확산됨으로써 형성되는 것이다. Al-Ti-Si 층 (16) 의 두께는, 0.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하로 설정되어 있고, 본 실시형태에 있어서는 3 ㎛ 로 되어 있다.
이 Al-Ti-Si 층 (16) 은, 도 2 에 나타내는 바와 같이, Ti 층 (15) 측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층 (16A) 과, Al 층 (12A) 측에 형성된 제 2 Al-Ti-Si 층 (16B) 을 구비하고 있다. 즉, Al 층 (12A) 과 Cu 층 (12B) 의 접합부에는, Ti 층 (15) 과, 제 1 Al-Ti-Si 층 (16A) 과, 제 2 Al-Ti-Si 층 (16B) 이 형성되어 있는 것이다.
이들 제 1 Al-Ti-Si 층 (16A) 과 제 2 Al-Ti-Si 층 (16B) 은, Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al-Ti-Si 상으로 이루어지고, 제 2 Al-Ti-Si 층 (16B) 의 Si 농도가 제 1 Al-Ti-Si 층 (16A) 의 Si 농도보다 낮아져 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 제 1 Al-Ti-Si 층 (16A) 및 제 2 Al-Ti-Si 층 (16B) 에 함유되는 Si 는, 2N 알루미늄의 압연판 중에 불순물로서 함유되는 Si 가 Al-Ti-Si 층 (16) 중에 확산되어, 농화된 것이다.
제 1 Al-Ti-Si 층 (16A) 의 Si 농도는, 10 at％ 이상 30 at％ 이하로 되어 있고, 본 실시형태에서는 20 at％ 로 되어 있다. 제 2 Al-Ti-Si 층 (16B) 의 Si 농도는, 1 at％ 이상 10 at％ 이하로 되어 있고, 본 실시형태에서는 3 at％ 로 되어 있다.
금속층 (13) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면 (도 1 에 있어서 하면) 에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 은, 순도가 99 질량％ 이상인 알루미늄 (2N 알루미늄) 의 압연판이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다. 또한, 금속층 (13) 이 되는 알루미늄판의 두께는 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하의 범위 내에서 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 1.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
반도체 소자 (3) 는, Si 등의 반도체 재료로 구성되어 있다. 이 반도체 소자 (3) 와 회로층 (12) 은, 땜납층 (2) 을 개재하여 접합되어 있다.
땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-Cu 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재 (이른바 납프리 땜납재) 로 되어 있고, 파워 모듈용 기판 (10) 과 반도체 소자 (3) 를 접합하는 것이다.
다음으로, 본 실시형태인 파워 모듈 (1) 의 제조 방법에 대해, 도 3 및 도 4 를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에, Al 층 (12A) 이 되는 알루미늄판 (22A) 을 적층하고, 추가로 그 위에 티탄박 (25) 을 개재하여 Cu 층 (12B) 이 되는 구리판 (22B) 을 적층한다. 한편, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면에는, 금속층 (13) 이 되는 알루미늄판 (23) 을 적층한다 (알루미늄판 및 구리판 적층 공정 S01). 여기서, 본 실시형태에 있어서는, 알루미늄판 (22A, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 사이에는, Al-Si 계의 납재박 (26) 을 개재하여 적층하였다.
이어서, 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 ㎏f/㎠) 한 상태에서 진공 가열로 내에 배치하고 가열하여, Al 층 (12A) 및 금속층 (13) 을 형성함과 함께, Al 층 (12A) 과 티탄박 (25), 및 구리판 (22B) 과 티탄박 (25) 을 고상 확산 접합하여, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 을 형성한다 (회로층 및 금속층 형성 공정 S02).
여기서, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 ㎩ 이상 10-3 ㎩ 이하의 범위 내에서, 가열 온도는 600 ℃ 이상 643 ℃ 이하, 유지 시간은 30 분 이상 180 분 이하의 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하다. 또, 보다 바람직한 가열 온도는, 630 ℃ 이상 643 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 적층 방향으로 12 ㎏f/㎠ 의 압력을 부하하고, 가열 온도 640 ℃, 유지 시간 60 분의 조건으로 실시하였다.
또한, 알루미늄판 (22A), 티탄박 (25), 및 구리판 (22B) 의 접합되는 각각의 면은, 미리 당해 면의 흠집이 제거되어 평활하게 된 후에, 고상 확산 접합되어 있다.
상기와 같이 하여, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 이 제조된다.
다음으로, 회로층 (12) 의 일방의 면 (표면) 에 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 적층하고, 환원로 내에 있어서 땜납 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S03).
상기와 같이 하여, 본 실시형태인 파워 모듈 (1) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태에 관련된 파워 모듈 (1) 및 파워 모듈용 기판 (10) 에 의하면, 회로층 (12) 에 있어서 Al 층 (12A) 과 Cu 층 (12B) 의 접합부에는, Ti 층 (15) 과 Al-Ti-Si 층 (16) 이 형성된 구성으로 되어 있고, 딱딱한 Al-Ti-Cu 층이나 Al-Ti 층이 형성되어 있지 않기 때문에, 히트 사이클이 부하되었을 때, 회로층 (12) 에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 파워 모듈 (1) 에 있어서, 반도체 소자 (3) 와 파워 모듈용 기판 (10) 의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, Ti 층 (15) 측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층 (16A) 의 Si 농도가, Al 층 (12A) 측에 형성된 제 2 Al-Ti-Si 층 (16B) 의 Si 농도보다 높기 때문에, Si 농도가 높은 제 1 Al-Ti-Si 층 (16A) 에 의해 Ti 원자가 Al 층 (12A) 측으로 확산되는 것이 억제되어, Al-Ti-Si 층 (16) 의 두께를 얇게 할 수 있다. 그리고, 이와 같이 Al-Ti-Si 층 (16) 의 두께를 얇게 함으로써, 히트 사이클이 부하되었을 때에 Al 층 (12A) 과 Cu 층 (12B) 의 접합부에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있게 된다.
또, Al 층 (12A) 측에 형성된 제 2 Al-Ti-Si 층 (16B) 에 함유되는 Si 농도가 1 at％ 이상 10 at％ 이하로 되어 있으므로, Al 원자가 Ti 층 (15) 측에 과잉으로 확산되는 것이 억제되어, 제 2 Al-Ti-Si 층 (16B) 의 두께를 얇게 할 수 있다.
나아가서는, Ti 층 (15) 측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층 (16A) 에 함유되는 Si 농도가 10 at％ 이상 30 at％ 이하로 되어 있으므로, Ti 원자가 Al 층 (12A) 측에 과잉으로 확산되는 것이 억제되어, 제 1 Al-Ti-Si 층 (16A) 의 두께를 얇게 할 수 있다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 및 제 2 면에, 알루미늄판 (22A), 티탄박 (25), 구리판 (22B), 및 알루미늄판 (23) 을 한 번에 접합하는 구성으로 되어 있으므로, 제조 공정을 간략화할 수 있고, 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
또, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 비교적 변형 저항이 작은 Al 층 (12A) 이 형성되어 있으므로, 히트 사이클이 부하되었을 때에 생기는 열응력을 Al 층 (12A) 이 흡수하여, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또한, Al 층 (12A) 의 일방의 면에는, 비교적 변형 저항이 큰 Cu 층 (12B) 이 형성되어 있으므로, 히트 사이클이 부하되었을 때에 회로층 (12) 의 변형이 억제되고, 반도체 소자 (3) 와 회로층 (12) 을 접합하는 땜납층 (2) 의 변형을 억제하여, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또, 열전도율이 양호한 Cu 층 (12B) 이 회로층 (12) 의 일방측에 형성되어 있으므로, 반도체 소자 (3) 로부터의 열을 확산시켜 효율적으로 파워 모듈용 기판 (10) 측에 전달할 수 있다.
또, 본 실시형태에 있어서는, Al 층 (12A) (알루미늄판 (22A)) 과 티탄박 (25), 및 구리판 (22B) 과 티탄박 (25) 의 고상 확산 접합은, 적층 방향으로 1 ∼ 35 ㎏f/㎠ 의 압력을 가한 상태에서 600 ℃ 이상 643 ℃ 이하로 유지함으로써 실시되는 구성으로 되어 있으므로, Al 층과 Ti 층의 계면에서 액상을 생성시키지 않고, Al 층 (12A) 및 구리판 (22B) 중에 Ti 원자를 확산시키고, 티탄박 (25) 중에 Al 원자 및 Cu 원자를 고상 확산시켜 고상 확산 접합하여, Al 층 (12A), 티탄박 (25), 및 구리판 (22B) 을 확실하게 접합할 수 있다.
고상 확산 접합할 때에 적층 방향으로 가해지는 압력이 1 ㎏f/㎠ 미만인 경우에는, Al 층 (12A), 티탄박 (25), 및 구리판 (22B) 을 충분히 접합시키는 것이 곤란해져, 접합 계면에 간극이 생기는 경우가 있다. 또, 35 ㎏f/㎠ 를 초과하는 경우에는, 부하되는 하중이 지나치게 높기 때문에, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 경우가 있다. 이와 같은 이유에 의해, 고상 확산 접합시에 가해지는 압력은, 상기의 범위로 설정되어 있다.
고상 확산 접합할 때의 온도가 600 ℃ 이상인 경우에는, Al 원자, Ti 원자, 및 Cu 원자의 확산이 촉진되어, 단시간에 충분히 고상 확산시킬 수 있다. 또, 643 ℃ 이하인 경우에는, 알루미늄의 용융에 의한 액상이 생성되어 접합 계면에 돌기가 생기거나, 두께가 변동되거나 하는 것을 억제할 수 있다. 그 때문에, 고상 확산 접합의 바람직한 온도 범위는, 상기의 범위로 설정되어 있다.
또, 고상 확산 접합할 때, 접합되는 면에 흠집이 있는 경우, 고상 확산 접합시에 간극이 생기는 경우가 있지만, 본 실시형태에서는, 알루미늄판 (22A), 구리판 (22B), 및 티탄박 (25) 의 접합되는 면은, 미리 당해 면의 흠집이 제거되어 평활하게 된 후에 고상 확산 접합되어 있으므로, 각각의 접합 계면에 간극이 생기는 것을 억제하여 접합하는 것이 가능하다.
(제 2 실시형태)
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해 설명한다. 또한, 제 1 실시형태와 동일한 구성의 것에 대해서는 동일한 부호를 부여하여 기재하고, 상세한 설명을 생략한다.
도 5 에, 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈 (201) 을 나타낸다. 이 히트 싱크가 부착된 파워 모듈 (201) 은, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (230) 과, 이 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (230) 의 일방의 면 (도 5 에 있어서 상면) 에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 를 구비하고 있다.
히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (230) 은, 파워 모듈용 기판 (210) 과, 이 파워 모듈용 기판 (210) 의 하측에 Ti 층 (215) 을 개재하여 적층된 히트 싱크 (231) (금속 부재) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (210) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 (도 5 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (212) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면 (도 5 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (213) (Al 층) 을 구비하고 있다.
회로층 (212) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 (도 5 에 있어서 상면) 에, 도전성을 갖는 알루미늄판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 회로층 (212) 은, 순도 99.99 질량％ 이상의 알루미늄 (4N 알루미늄) 의 압연판을 접합함으로써 형성되어 있다. 또한, 접합되는 알루미늄판의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내에서 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
금속층 (213) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면 (도 5 에 있어서 하면) 에, 도전성을 갖는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 금속층 (213) 은, 순도 99 질량％ 이상의 알루미늄 (2N 알루미늄) 의 압연판을 접합함으로써 형성되어 있다. 상기 순도 99 질량％ 이상의 알루미늄의 압연판에는, 0.08 질량％ 이상 0.95 질량％ 이하의 Si 가 함유되어 있으면 된다. 또한, 접합되는 알루미늄판의 두께는 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하의 범위 내에서 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
히트 싱크 (231) 는, 파워 모듈용 기판 (210) 측의 열을 방산시키기 위한 것이다. 히트 싱크 (231) 는, 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있고, 본 실시형태에서는 무산소 구리로 구성되어 있다. 이 히트 싱크 (231) 에는, 냉각용의 유체가 흐르기 위한 유로 (232) 가 형성되어 있다.
그리고, 이들 금속층 (213) 과 히트 싱크 (231) 가 Ti 층 (215) 을 개재하여 접합되어 있다.
Ti 층 (215) 은, 알루미늄으로 이루어지는 금속층 (213) 과, 구리로 이루어지는 히트 싱크 (231) 가 티탄박을 개재하여 적층되고, 고상 확산 접합됨으로써 형성되는 것이다. 이 티탄박의 순도는 99 ％ 이상으로 되어 있다. 티탄박의 두께는 3 ㎛ 이상 40 ㎛ 이하로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 10 ㎛ 로 설정되어 있다.
그리고, 금속층 (213) 과 Ti 층 (215) 의 접합 계면에는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al-Ti-Si 층 (216) 이 형성되어 있다.
Al-Ti-Si 층 (216) 은, 금속층 (213) 의 Al 원자와, Ti 층 (215) 의 Ti 원자가 상호 확산됨으로써 형성되는 것이다. Al-Ti-Si 층 (216) 의 두께는, 0.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하로 설정되어 있고, 본 실시형태에 있어서는 3 ㎛ 로 되어 있다. 이 Al-Ti-Si 층 (216) 은, 도 6 에 나타내는 바와 같이, Ti 층 (215) 측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층 (216A) 과, 금속층 (213) 측에 형성된 제 2 Al-Ti-Si 층 (216B) 을 구비하고 있다. 즉, 금속층 (213) 과 히트 싱크 (231) 의 접합부에는, Ti 층 (215) 과, 제 1 Al-Ti-Si 층 (216A) 과, 제 2 Al-Ti-Si 층 (216B) 이 형성되어 있는 것이다.
이들 제 1 Al-Ti-Si 층 (216A) 과 제 2 Al-Ti-Si 층 (216B) 은, Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al-Ti-Si 상으로 이루어지고, 제 2 Al-Ti-Si 층 (216B) 의 Si 농도가 제 1 Al-Ti-Si 층 (216A) 의 Si 농도보다 낮아져 있다.
제 1 Al-Ti-Si 층 (216A) 의 Si 농도는 10 at％ 이상 30 at％ 이하로 되어 있고, 본 실시형태에서는 20 at％ 로 되어 있다. 제 2 Al-Ti-Si 층 (216B) 의 Si 농도는, 1 at％ 이상 10 at％ 이하로 되어 있고, 본 실시형태에서는 3 at％ 로 되어 있다.
다음으로, 본 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈 (201), 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (230) 의 제조 방법에 대해, 도 7 및 도 8 을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에, Al-Si 계의 납재박 (26) 을 개재하여, 회로층 (212) 이 되는 알루미늄판 (222) 을 적층한다. 또, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면에, 납재박 (26) 을 개재하여 금속층 (213) 이 되는 알루미늄판 (223) 을 적층한다. 그리고, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면측 (도 8 에 있어서 하측) 에, 추가로 티탄박 (225) 을 개재하여 히트 싱크 (231) 를 적층한다 (알루미늄판 및 히트 싱크 적층 공정 S211).
이어서, 알루미늄판 (222, 223), 세라믹스 기판 (11), 및 히트 싱크 (231) 의 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 ㎏f/㎠) 한 상태에서 진공 가열로 내에 배치하고 가열하여, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 및 제 2 면에 회로층 (212) 및 금속층 (213) 을 형성함과 함께, 금속층 (213) 과 티탄박 (225), 및 히트 싱크 (231) 와 티탄박 (225) 을 고상 확산 접합하여, 금속층 (213) 과 히트 싱크 (231) 를 접합한다 (회로층, 금속층, 및 히트 싱크 접합 공정 S212).
여기서, 진공 가열로 내의 압력은, 10-6 ㎩ 이상 10-3 ㎩ 이하의 범위 내에서, 가열 온도는 600 ℃ 이상 643 ℃ 이하, 유지 시간은 30 분 이상 180 분 이하의 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하다. 또, 보다 바람직한 가열 온도는, 630 ℃ 이상 643 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 적층 방향으로 20 ㎏f/㎠ 의 압력을 부하하고, 가열 온도 640 ℃, 유지 시간 60 분의 조건으로 실시하였다.
또한, 알루미늄판 (223), 티탄박 (225), 및 히트 싱크 (231) 의 접합되는 각각의 면은, 미리 당해 면의 흠집이 제거되어 평활하게 된 후에, 고상 확산 접합되어 있다.
상기와 같이 하여, 본 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (230) 및 파워 모듈용 기판 (210) 이 제조된다.
다음으로, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (230) (회로층 (212)) 의 일방의 면에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 적층하고, 환원로 내에 있어서 땜납 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S213).
상기와 같이 하여, 본 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈 (201) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태에 관련된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈 (201) 및 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (230) 에 의하면, 금속층 (213) 과 히트 싱크 (231) 의 접합부에는, Ti 층 (215) 과 Al-Ti-Si 층 (216) 이 형성된 구성으로 되어 있고, 딱딱한 Al-Ti-Cu 층이나 Al-Ti 층이 형성되어 있지 않기 때문에, 히트 사이클이 부하되었을 때, 금속층 (213) 과 히트 싱크 (231) 의 접합부에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈 (201) 에 있어서, 금속층 (213) 과 히트 싱크 (231) 의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, Ti 층 (215) 측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층 (216A) 의 Si 농도가, 금속층 (213) 측에 형성된 제 2 Al-Ti-Si 층 (216B) 의 Si 농도보다 높기 때문에, Si 농도가 높은 제 1 Al-Ti-Si 층 (216A) 에 의해 Ti 원자가 금속층 (213) 으로 확산되는 것이 억제되어, Al-Ti-Si 층 (216) 의 두께를 얇게 할 수 있다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 및 제 2 면에 회로층 (212) 및 금속층 (213) 을 형성하고, 또한 금속층 (213) 과 히트 싱크 (231) 를 동시에 접합할 수 있기 때문에, 제조 공정을 간략화할 수 있고, 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
또, 도 9 (제 3 실시형태) 에 나타내는 바와 같이, 금속층 (313) 이, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면에 형성된 Al 층 (313A) 과, Al 층 (313A) 중 세라믹스 기판 (11) 이 접합된 면과 반대측의 면에, Ti 층 (315) 을 개재하여 고상 확산 접합된 Cu 층 (313B) 을 갖는 구성으로 되어도 된다.
이 금속층 (313) 을 구비한 파워 모듈 (301) 에 있어서는, 히트 사이클이 부하되었을 때, 세라믹스 기판 (11) 에 생기는 열응력을 Al 층 (313A) 에 의해 흡수하여, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또, Al 층 (313A) 의 하측에는 Cu 층 (313B) 이 형성되어 있으므로, 반도체 소자 (3) 측으로부터의 열을 효율적으로 방산시킬 수 있다.
또, 제 1 실시형태에 있어서, 금속층이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되는 경우에 대해 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 구리나 구리 합금으로 구성되어도 된다.
또, 제 2 실시형태에 있어서, 금속층이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되고, 히트 싱크가 구리 또는 구리 합금으로 구성되는 경우에 대해 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 금속층이 구리 또는 구리 합금으로 구성되고, 히트 싱크가 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되어도 된다.
또, 제 1 실시형태에 있어서, Al 층이 되는 알루미늄판을 적층하고, 그 위에 티탄박을 개재하여 Cu 층이 되는 구리판을 적층하고, 가압·가열을 실시하여 회로층을 형성했지만, 구리판 대신에 구리로 이루어지는 리드 프레임 (금속 부재) 을 사용할 수 있다.
(제 5 실시형태)
도 13 에, 본 발명의 제 5 실시형태에 관련된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈 (501) 을 나타낸다.
히트 싱크가 부착된 파워 모듈 (501) 은, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (530) 과, 이 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (530) 의 일방의 면 (도 13 에 있어서 상면) 에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 를 구비하고 있다.
히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (530) 은, 파워 모듈용 기판 (510) 과, 파워 모듈용 기판 (510) 의 하측에 땜납층 (535) 을 개재하여 접합된 히트 싱크 (531) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (510) 은, 도 14 에 나타내는 바와 같이, 절연층을 구성하는 세라믹스 기판 (511) 과, 이 세라믹스 기판 (511) 의 일방의 면 (도 14 에 있어서 상면이고, 제 1 면) 에 배치 형성된 회로층 (512) 과, 세라믹스 기판 (511) 의 타방의 면 (도 15 에 있어서 하면이고, 제 2 면) 에 배치 형성된 금속층 (513) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (511) 은, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄), Si3N4 (질화규소), Al2O3 (알루미나) 등으로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 방열성이 우수한 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (511) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내에서 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (512) 은, 세라믹스 기판 (511) 의 제 1 면 (도 14 에 있어서 상면) 에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (512) 은, 순도가 99 ％ 이상인 알루미늄 (2N 알루미늄) 의 압연판이 세라믹스 기판 (511) 에 접합됨으로써 형성되어 있다. 또한, 회로층 (512) 이 되는 알루미늄판의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내에서 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
금속층 (513) 은, 도 13 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (511) 의 제 2 면 (도 14 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 Al 층 (513A) 과, 이 Al 층 (513A) 중 세라믹스 기판 (511) 이 접합된 면과 반대측의 면에 Ti 층 (515) 을 개재하여 적층된 Cu 층 (513B) (금속 부재층) 을 가지고 있다.
Al 층 (513A) 은, 세라믹스 기판 (511) 의 제 2 면에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, Al 층 (513A) 은, 순도 99 질량％ 이상의 알루미늄 (이른바 2N 알루미늄) 의 압연판을 접합함으로써 형성되어 있다. 상기 순도 99 질량％ 이상의 알루미늄의 압연판에는, 0.08 질량％ 이상 0.95 질량％ 이하의 Si 가 함유되어 있으면 된다. 또한, 접합되는 알루미늄판의 두께는 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하의 범위 내에서 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
Cu 층 (513B) 은, Al 층 (513A) 중 세라믹스 기판 (511) 이 형성된 면과 반대측의 면 (도 14 에 있어서 하면) 에, Ti 층 (515) 을 개재하여, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, Cu 층 (513B) 은, 무산소 구리의 압연판이 Al 층 (513A) 에 티탄박을 개재하여 고상 확산 접합됨으로써 형성되어 있다.
또한, 접합되는 구리판의 두께는 0.1 ㎜ 이상 6.0 ㎜ 이하의 범위 내에서 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.3 ㎜ 로 설정되어 있다.
Ti 층 (515) 은, Al 층 (513A) 과 구리판이 티탄박을 개재하여 적층되고, 고상 확산 접합됨으로써 형성되는 것이다. 여기서, 티탄박의 순도는 99 ％ 이상으로 되어 있다. 또, Ti 박의 두께는 3 ㎛ 이상 40 ㎛ 이하로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 15 ㎛ 로 설정되어 있다.
그리고, Al 층 (513A) 과 Ti 층 (515) 의 접합 계면에는, 도 15 에 나타내는 바와 같이, Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al-Ti-Si 층 (516) 이 형성되어 있다.
Al-Ti-Si 층 (516) 은, Al 층 (512A) 의 Al 원자와, Ti 층 (515) 의 Ti 원자가 상호 확산됨으로써 형성되는 것이다. Al-Ti-Si 층 (516) 의 두께는, 0.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하로 설정되어 있고, 본 실시형태에 있어서는 5 ㎛ 로 되어 있다.
이 Al-Ti-Si 층 (516) 은, 도 15 에 나타내는 바와 같이, Ti 층 (515) 측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층 (516A) 과, Al 층 (513A) 측에 형성된 제 2 Al-Ti-Si 층 (516B) 을 구비하고 있다. 즉, Al 층 (513A) 과 Cu 층 (513B) 의 접합부에는, Ti 층 (515) 과, 제 1 Al-Ti-Si 층 (516A) 과, 제 2 Al-Ti-Si 층 (516B) 이 형성되어 있는 것이다.
이들 제 1 Al-Ti-Si 층 (516A) 과 제 2 Al-Ti-Si 층 (516B) 은, Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al-Ti-Si 상으로 이루어지고, 제 2 Al-Ti-Si 층 (516B) 의 Si 농도가 제 1 Al-Ti-Si 층 (516A) 의 Si 농도보다 낮아져 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 제 1 Al-Ti-Si 층 (516A) 및 제 2 Al-Ti-Si 층 (516B) 에 함유되는 Si 는, 2N-Al 의 압연판 중에 불순물로서 함유되는 Si 가 Al-Ti-Si 층 (516) 중에 확산되어, 농화된 것이다.
제 1 Al-Ti-Si 층 (516A) 의 Si 농도는, 10 at％ 이상 30 at％ 이하로 되어 있고, 본 실시형태에서는 20 at％ 로 되어 있다. 제 2 Al-Ti-Si 층 (516B) 의 Si 농도는, 1 at％ 이상 10 at％ 이하로 되어 있고, 본 실시형태에서는 3 at％ 로 되어 있다.
반도체 소자 (3) 는 Si 등의 반도체 재료로 구성되어 있다. 이 반도체 소자 (3) 와 회로층 (512) 은, 땜납층 (2) 을 개재하여 접합되어 있다.
땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-Cu 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재 (이른바 납프리 땜납재) 로 되어 있고, 파워 모듈용 기판 (510) 과 반도체 소자 (3) 를 접합하는 것이다.
히트 싱크 (531) 는, 파워 모듈용 기판 (510) 측의 열을 방산시키기 위한 것이다. 히트 싱크 (531) 는, 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있고, 본 실시형태에서는 무산소 구리로 구성되어 있다. 이 히트 싱크 (531) 에는, 냉각용의 유체가 흐르기 위한 유로 (532) 가 형성되어 있다.
땜납층 (535) 은, 땜납층 (2) 과 동일하게, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-Cu 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재 (이른바 납프리 땜납재) 로 되어 있고, 파워 모듈용 기판 (510) 과 히트 싱크 (531) 를 접합하는 것이다.
다음으로, 본 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈 (501) 의 제조 방법에 대해 도 16 및 도 17 을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 17 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (511) 의 제 1 면에 회로층 (512) 이 되는 알루미늄판 (522) 을 적층한다. 한편, 세라믹스 기판 (511) 의 제 2 면에는, Al 층 (513A) 이 되는 알루미늄판 (523A) 을 적층하고, 추가로 그 위에 티탄박 (525) 을 개재하여 Cu 층 (513B) 이 되는 구리판 (523B) 을 적층한다 (알루미늄판 및 구리판 적층 공정 S501). 여기서, 본 실시형태에 있어서는, 알루미늄판 (522, 523A) 과 세라믹스 기판 (511) 사이에는, Al-Si 계의 납재박 (526) 을 개재하여 적층하였다.
이어서, 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 ㎏f/㎠) 한 상태에서 진공 가열로 내에 배치하고 가열하여, 회로층 (512) 및 Al 층 (513A) 을 형성함과 함께, Al 층 (513A) 과 티탄박 (525), 및 구리판 (523B) 과 티탄박 (525) 을 고상 확산 접합하여, 회로층 (512) 및 금속층 (513) 을 형성한다 (회로층 및 금속층 형성 공정 S502).
여기서, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 ㎩ 이상 10-3 ㎩ 이하의 범위 내에서, 가열 온도는 600 ℃ 이상 643 ℃ 이하, 유지 시간은 30 분 이상 180 분 이하의 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하다. 또, 보다 바람직한 가열 온도는, 630 ℃ 이상 643 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 적층 방향으로 12 ㎏f/㎠ 의 압력을 부하하고, 가열 온도 640 ℃, 유지 시간 60 분의 조건으로 실시하였다.
또한, 알루미늄판 (523A), 티탄박 (525), 및 구리판 (523B) 의 접합되는 각각의 면은, 미리 당해 면의 흠집이 제거되어 평활하게 된 후에, 고상 확산 접합되어 있다.
상기와 같이 하여, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (510) 이 제조된다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (510) 의 금속층 (513) 에, 땜납재를 개재하여 히트 싱크 (531) 를 적층하고, 환원로 내에 있어서 땜납 접합한다 (히트 싱크 접합 공정 S503).
이와 같이 하여, 본 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (530) 이 제조된다.
이어서, 회로층 (512) 의 일방의 면 (표면) 에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 적층하고, 환원로 내에 있어서 땜납 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S504).
상기와 같이 하여, 본 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈 (501) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태에 관련된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈 (501), 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (530), 및 파워 모듈용 기판 (510) 에 의하면, 금속층 (513) 에 있어서 Al 층 (513A) 과 Cu 층 (513B) 의 접합부에는, Ti 층 (515) 과 Al-Ti-Si 층 (516) 이 형성된 구성으로 되어 있고, 딱딱한 Al-Ti-Cu 층이나 Al-Ti 층이 형성되어 있지 않기 때문에, 히트 사이클이 부하되었을 때, 금속층 (513) 에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 파워 모듈용 기판 (510) 과 히트 싱크 (531) 의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, Ti 층 (515) 측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층 (516A) 의 Si 농도가, Al 층 (513A) 측에 형성된 제 2 Al-Ti-Si 층 (516B) 의 Si 농도보다 높기 때문에, Si 농도가 높은 제 1 Al-Ti-Si 층 (516A) 에 의해 Ti 원자가 Al 층 (513A) 측으로 확산되는 것이 억제되어, Al-Ti-Si 층 (516) 의 두께를 얇게 할 수 있다. 그리고, 이와 같이 Al-Ti-Si 층 (516) 의 두께를 얇게 함으로써, 히트 사이클이 부하되었을 때에 Al 층 (513A) 과 Cu 층 (513B) 의 접합부에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있게 된다.
또, Al 층 (513A) 측에 형성된 제 2 Al-Ti-Si 층 (516B) 에 함유되는 Si 농도가 1 at％ 이상 10 at％ 이하로 되어 있으므로, Al 원자가 Ti 층 (515) 측에 과잉으로 확산되는 것이 억제되어, 제 2 Al-Ti-Si 층 (516B) 의 두께를 얇게 할 수 있다.
나아가서는, Ti 층 (515) 측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층 (516A) 에 함유되는 Si 농도가 10 at％ 이상 30 at％ 이하로 되어 있으므로, Ti 원자가 Al 층 (513A) 측에 과잉으로 확산되는 것이 억제되어, 제 1 Al-Ti-Si 층 (516A) 의 두께를 얇게 할 수 있다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판 (511) 의 제 1 면 및 제 2 면에, 알루미늄판 (523A), 티탄박 (525), 구리판 (523B), 및 알루미늄판 (522) 을 한 번에 접합하는 구성으로 되어 있으므로, 제조 공정을 간략화할 수 있고, 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
또, 세라믹스 기판 (511) 의 제 2 면에 비교적 변형 저항이 작은 Al 층 (513A) 이 형성되어 있으므로, 히트 사이클이 부하되었을 때에 생기는 열응력을 Al 층 (513A) 이 흡수하여, 세라믹스 기판 (511) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또한, Al 층 (513A) 중 세라믹스 기판 (511) 이 형성된 면과 반대측의 면에는, 비교적 변형 저항이 큰 Cu 층 (513B) 이 형성되어 있으므로, 히트 사이클이 부하되었을 때에 금속층 (513) 의 변형이 억제되고, 금속층 (513) 과 히트 싱크 (531) 를 접합하는 땜납층 (535) 의 변형을 억제하여, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또, 본 실시형태에 있어서는, Al 층 (513A) (알루미늄판 (523A)) 과 티탄박 (525), 및 구리판 (523B) 과 티탄박 (525) 의 고상 확산 접합은, 적층 방향으로 1 ∼ 35 ㎏f/㎠ 의 압력을 가한 상태에서 600 ℃ 이상 643 ℃ 이하로 유지함으로써 실시되는 구성으로 되어 있으므로, Al 층 (513A) 및 구리판 (523B) 중에 Ti 원자를 확산시키고, 티탄박 (525) 중에 Al 원자 및 Cu 원자를 고상 확산시켜 고상 확산 접합하여, Al 층 (513A), 티탄박 (525), 및 구리판 (523B) 을 확실하게 접합할 수 있다.
고상 확산 접합할 때에 적층 방향으로 가해지는 압력이 1 ㎏f/㎠ 미만인 경우에는, Al 층 (513A), 티탄박 (525), 및 구리판 (523B) 을 충분히 접합시키는 것이 곤란해져, 접합 계면에 간극이 생기는 경우가 있다. 또, 35 ㎏f/㎠ 를 초과하는 경우에는, 부하되는 하중이 지나치게 높기 때문에, 세라믹스 기판 (511) 에 균열이 발생하는 경우가 있다. 이와 같은 이유에 의해, 고상 확산 접합시에 가해지는 압력은, 상기의 범위로 설정되어 있다.
고상 확산 접합할 때의 온도가 600 ℃ 이상인 경우에는, Al 원자, Ti 원자, 및 Cu 원자의 확산이 촉진되어, 단시간에 충분히 고상 확산시킬 수 있다. 또, 643 ℃ 이하인 경우에는, 알루미늄의 용융에 의한 액상이 생성되어 접합 계면에 돌기가 생기거나, 두께가 변동되거나 하는 것을 억제할 수 있다. 그 때문에, 고상 확산 접합의 바람직한 온도 범위는, 상기의 범위로 설정되어 있다.
또, 고상 확산 접합할 때, 접합되는 면에 흠집이 있는 경우, 고상 확산 접합시에 간극이 생기는 경우가 있지만, 본 실시형태에서는, 알루미늄판 (523A), 구리판 (523B), 및 티탄박 (525) 의 접합되는 면은, 미리 당해 면의 흠집이 제거되어 평활하게 된 후에, 고상 확산 접합되어 있으므로, 각각의 접합 계면에 간극이 생기는 것을 억제하여 접합하는 것이 가능하다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
상기 실시형태에서는, Al 층과 Cu 층이 접합되는 경우에 대해 설명했지만, Cu 층 대신에, 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 Ni 층, 혹은 은 또는 은 합금으로 이루어지는 Ag 층이 접합되어도 된다.
예를 들어, Cu 층 대신에 Ni 층을 형성한 경우에는, 납땜성이 양호해지고, 땜납재를 개재하여 금속층과 히트 싱크를 접합했을 때, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 고상 확산 접합에 의해 Ni 층을 형성하는 경우에는, 무전해 도금 등으로 Ni 도금막을 형성할 때에 실시되는 마스킹 처리가 필요하지 않아, 제조 비용을 저감시킬 수 있다. 이 경우, Ni 층의 두께는 1 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. Ni 층의 두께가 1 ㎛ 미만인 경우에는 반도체 소자와의 접합 신뢰성 향상의 효과가 없어질 우려가 있고, 30 ㎛ 를 초과하는 경우에는 Ni 층이 열 저항체가 되어, 효율적으로 히트 싱크측에 열을 전달할 수 없게 될 우려가 있다.
또, 고상 확산 접합에 의해 Ni 층을 형성하는 경우, 고상 확산 접합은, 상기 제 1 실시형태에 있어서 Cu 층을 형성했을 경우와 동일한 조건으로 형성할 수 있다.
또, Cu 층 대신에 Ag 층을 형성한 경우에는, 예를 들어 산화은 입자와 유기물로 이루어지는 환원제를 함유하는 산화은 페이스트를 사용하여 히트 싱크를 접합할 때, 산화은이 환원된 은과 Ag 층이 동종의 금속끼리의 접합이 되기 때문에, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이 경우, Ag 층의 두께는 1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. Ag 층의 두께가 1 ㎛ 미만인 경우에는 반도체 소자와의 접합 신뢰성 향상의 효과가 없어질 우려가 있고, 20 ㎛ 를 초과하는 경우에는 접합 신뢰성 향상의 효과를 볼 수 없게 되고, 비용의 증가를 초래한다.
또, 고상 확산 접합에 의해 Ag 층을 형성하는 경우, 고상 확산 접합은, 상기 제 1 실시형태에 있어서 Cu 층을 형성했을 경우와 동일한 조건으로 형성할 수 있다.
또, 도 18 (제 6 실시형태) 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (612) 이, 세라믹스 기판 (511) 의 제 1 면 (도 18 에 있어서 상면) 에 형성된 Al 층 (612A) 과, Al 층 (612A) 의 일방의 면 (도 18 에 있어서 상면) 에, Ti 층 (615) 을 개재하여 고상 확산 접합된 Cu 층 (612B) 을 갖는 구성으로 되어도 된다.
이 회로층 (612) 을 구비한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈 (601) 에 있어서는, 히트 사이클이 부하되었을 때, 세라믹스 기판 (511) 에 생기는 열응력을 Al 층 (612A) 에 의해 흡수하여, 세라믹스 기판 (511) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또, Al 층 (612A) 의 상측에는, Cu 층 (612B) 이 형성되어 있으므로, 반도체 소자 (3) 측으로부터의 열을 확산시켜 효율적으로 히트 싱크 (531) 측에 방산시킬 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 티탄박을 개재하여, 2N 알루미늄으로 이루어지는 알루미늄판과 무산소 구리로 이루어지는 구리판을 적층하여, 고상 확산 접합하는 경우에 대해 설명했지만, Si 의 함유량이 2N 알루미늄보다 적은 4N 알루미늄으로 이루어지는 알루미늄판과 구리판을 티탄박을 개재하여 고상 확산 접합한 경우에는, 접합 계면에 Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al-Ti-Si 층은 형성되지 않아, Al3Ti 층 (Al-Ti 층) 이 두껍게 성장하게 된다. 4N 알루미늄으로 이루어지는 알루미늄판과 구리판을 접합하는 경우, 예를 들어 도 10 (제 4 실시형태) 및 도 19 (제 7 실시형태) 에 나타내는 바와 같이, 4N 알루미늄으로 이루어지는 알루미늄판 (422A (723A)), Al-Si 계의 납재박 (426 (726)), 티탄박 (425 (725)), 구리판 (422B (723B)) 을 순서대로 적층하고, 고상 확산 접합함으로써, 파워 모듈용 기판 (10 (510)) 과 동일하게 제 1 Al-Ti-Si 층 및 제 2 Al-Ti-Si 층을 형성할 수 있어, 히트 사이클이 부하되었을 때에 회로층 또는 금속층에 크랙이 생기는 것을 억제할 수 있게 된다.
또, 상기 실시형태에서는, 땜납재를 개재하여 금속층과 히트 싱크를 접합하는 경우에 대해 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 다른 수법에 의해 접합되어도 된다. 예를 들어, 상기 서술한 산화은 페이스트에 의해 접합되어도 되고, 납재박에 의해 접합되어도 된다.
또, 상기 실시형태에 있어서, 회로층이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되는 경우에 대해 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 구리나 구리 합금으로 구성되어도 된다. 또, 회로층이 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 리드 프레임의 일부로 되어 있어도 된다.
또, 히트 싱크가 구리 또는 구리 합금으로 구성되는 경우에 대해 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 히트 싱크가 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되어도 된다.
또, 상기 실시형태에서는, 세라믹스 기판의 제 1 면 및 제 2 면에, Al-Si 계의 납재박을 개재하여 알루미늄판을 접합하는 경우에 대해 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 과도 액상 접합법 (Transient Liquid Phase Bonding) 을 적용해도 된다.
또한 상기 실시형태에서는, 세라믹스 기판의 제 1 면 또는 제 2 면에, Al-Si 계의 납재박을 개재하여, Al 층이 되는 알루미늄판을 적층하고, 추가로 그 위에 티탄박을 개재하여 Cu 층이 되는 구리판을 적층하고, 가압 가열함으로써 접합체 (또는 금속층) 를 형성했지만, 티탄박 및 구리판 대신에 Ti/Cu 로 이루어지는 클래드재를 사용할 수 있다. 또, 알루미늄판, 티탄박 및 구리판 대신에, Al/Ti/Cu 의 3 층으로 이루어지는 클래드재를 사용할 수도 있다.
또, Cu 층 대신에 Ni 층을 형성하는 경우, Ti/Ni 로 이루어지는 클래드재나 Al/Ti/Ni 로 이루어지는 클래드재를 사용할 수 있다.
또한, Cu 층 대신에 Ag 층을 형성하는 경우, Ti/Ag 로 이루어지는 클래드재나 Al/Ti/Ag 로 이루어지는 클래드재를 사용할 수 있다.
실시예
(실시예 1)
이하에, 본 발명의 효과를 확인하기 위하여 실시한 확인 실험의 결과에 대해 설명한다.
본 발명예 1-1 ∼ 1-7 의 접합체로서, 표 1 에 나타내는 바와 같이, Si 를 0.25 질량％ 함유하는 2N 알루미늄판으로 이루어지는 알루미늄 부재 (10 ㎜ × 10 ㎜, 두께 0.6 ㎜) 의 일방의 면에, 티탄박을 개재하여 표 1 에 기재된 금속 부재로 이루어지는 판 (2 ㎜ × 2 ㎜, 두께 0.3 ㎜) 을 적층하고, 상기 서술한 실시형태에 기재된 방법에 의해 표 1 에 나타내는 조건으로 고상 확산 접합하였다.
또, 비교예 1-1 의 접합체로서, 순도 99.99 ％ 이상의 알루미늄판으로 이루어지는 알루미늄 부재 (10 ㎜ × 10 ㎜, 두께 0.6 ㎜) 의 일방의 면에, 티탄박을 개재하여 무산소 구리의 판으로 이루어지는 금속 부재 (2 ㎜ × 2 ㎜, 두께 0.3 ㎜) 를 적층하고, 본 발명예 1-1 의 접합체와 동일하게 하여 표 1 에 나타내는 조건으로 고상 확산 접합하였다.
이와 같이 하여 얻어진 접합체에 대해, 접합체의 단면 (斷面) 관찰, 및 셰어 테스트를 실시하였다.
(단면 관찰)
접합체의 단면을 크로스 섹션 폴리셔 (닛폰 전자 주식회사 제조 SM-09010) 를 사용하여, 이온 가속 전압 : 5 ㎸, 가공 시간 : 14 시간, 차폐판으로부터의 돌출량 : 100 ㎛ 로 이온 에칭한 후에, 주사형 전자 현미경 (SEM) 을 사용하여 Al 층 (알루미늄 부재) 과 금속 부재층 (금속 부재) 의 접합부의 관찰을 실시하였다. 또, EPMA 분석 장치를 사용하여, 접합부의 조성 분석을 실시하여, Ti 층과 Al 층 사이의 접합 계면 (도 11, 12 에 있어서, Ti 층과 알루미늄 부재 사이의 계면) 에, Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al-Ti-Si 층이 형성되어 있는지 여부를 확인하였다.
(셰어 테스트)
접합체에 셰어 테스트를 실시하여 셰어 강도 (전단 강도) 를 측정하였다. 또한, 셰어 테스트는, 국제 전기 표준 회의의 규격 IEC 60749-19 에 준거하여 실시하였다.
단면 관찰의 결과의 일례로서, 본 발명예 1-1 의 단면 관찰의 결과 (SEM 이미지) 를 도 11 에, 비교예 1-1 의 단면 관찰의 결과 (SEM 이미지) 를 도 12 에 나타낸다. 또, 표 1 에, Al-Ti-Si 층의 유무, 접합체의 셰어 테스트의 측정 결과를 나타낸다.
상기 서술한 방법에 의해 Al-Ti-Si 층을 확인할 수 있었던 것을 표에서는 「유」 로 하고, 확인할 수 없었던 것을 「무」 로 기재하였다.
Figure pct00001
본 발명예 1-1 에서는, 도 11 에 나타내는 바와 같이, Ti 층과 Al 층 (알루미늄 부재) 사이에 Al-Ti-Si 층이 확인되었다. 이 Al-Ti-Si 층의 두께는 얇게 형성되어 있는 것을 확인하였다. 이와 같은 Al-Ti-Si 층이 본 발명예 1-2 ∼ 1-7 에 있어서도 형성되어 있는 것도 확인하였다.
한편, 비교예 1-1 에서는, Ti 층과 Al 층 사이에 Al-Ti 층이 형성되어 있고, Al-Ti-Si 층은 확인되지 않았다. 도 12 에 나타내는 바와 같이, 비교예 1-1 의 Al-Ti 층의 두께는, 본 발명예 1-1 ∼ 1-7 의 Al-Ti-Si 층과 비교하여 두껍게 형성되어 있고, 그 접합 계면에 크랙이 관찰되었다.
또, Al-Ti-Si 층이 확인되지 않았던 비교예 1-1 에서는, 셰어 강도는 28 ㎫ 인 데에 반해, Al-Ti-Si 층이 확인된 본 발명예 1-1 ∼ 1-7 에서는 셰어 강도가 79 ㎫ 이상으로 대폭 높은 것이 확인되었다.
(실시예 2)
본 발명예 2-1 ∼ 2-7 의 파워 모듈을 다음과 같이 하여 제조하였다. 세라믹스 기판의 일방의 면에, Al 층이 되는 Si 를 0.25 질량％ 함유하는 2N 알루미늄판 (두께 0.6 ㎜) 을 적층하고, 추가로 그 위에 티탄박을 개재하여 표 2 에 기재된 금속 부재로 이루어지는 판을 적층한다. 또, 세라믹스 기판의 제 2 면에는, 금속층이 되는 순도 99.99 ％ 이상의 4N 알루미늄판 (두께 0.6 ㎜) 을 적층한다. 여기서, 알루미늄판과 세라믹스 기판 사이에는, Al-Si 계의 납재박을 개재하여 적층하였다. 이어서, 표 2 에 나타내는 조건으로 가열 처리를 실시하여, 세라믹스 기판의 제 1 면 및 제 2 면에 Al 층 및 금속층을 형성함과 함께, Al 층, 티탄박, 금속 부재로 이루어지는 판을 고상 확산 접합하여 회로층을 형성하였다. 그리고, 회로층의 일방의 면에 땜납재를 개재하여 반도체 소자를 접합하였다.
비교예 2-1 의 파워 모듈은, Al 층으로서 순도 99.99 ％ 이상의 4N 알루미늄을 사용한 것 이외에는, 본 발명예 2-1 의 파워 모듈과 동일하게 하여 제조하였다.
또한, 가열 처리는 표 2 에 나타내는 조건으로 실시하였다.
이와 같이 하여 제조된 파워 모듈의 회로층에 있어서의 Al 층과 금속 부재층의 접합부에 있어서, 실시예 1 과 동일하게 하여, Al-Si-Ti 층의 유무를 확인하였다. 실시예 1 과 동일한 방법에 의해 Al-Ti-Si 층을 확인할 수 있었던 것을 표에서는 「유」 로 하고, 확인할 수 없었던 것을 「무」 로 기재하였다. 또한, 파워 모듈에 대해, 히트 사이클 시험을 실시하여, 시험 후의 Al 층과 금속 부재층의 접합부의 접합률을 측정하였다. 또, Al 층과 금속 부재층의 접합부의 초기의 접합률 (히트 사이클 시험 전의 접합률) 도 측정하였다. 히트 사이클 시험과 접합률의 측정은, 이하와 같이 하여 실시하였다.
(히트 사이클 시험)
히트 사이클 시험은, 파워 모듈에 대해, -40 ℃ 와 125 ℃ 를 반복하는 히트 사이클을 부하함으로써 실시한다. 본 실시예에서는, 이 히트 사이클을 4000 회 실시하였다.
이 히트 사이클 시험 전후에 있어서의 Al 층과 금속 부재층의 계면에 있어서의 접합률을 측정하였다.
(Al 층과 금속 부재층의 접합부의 접합률 평가)
히트 사이클 시험 전후의 파워 모듈에 대해, Al 층과 금속 부재층의 접합부의 접합률에 대해 초음파 탐상 장치를 사용하여 평가하고, 이하의 식으로부터 산출하였다. 여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적, 즉 Al 층의 면적으로 하였다. 초음파 탐상 이미지에 있어서 박리는 백색부로 나타내므로, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 하였다.
(접합률 (％)) = {(초기 접합 면적) - (박리 면적)}/(초기 접합 면적) × 100
이상의 평가 결과를 표 2 에 나타낸다.
Figure pct00002
Al-Ti-Si 층이 확인되지 않았던 비교예 2-1 에서는, 초기의 접합률은 72.5 ％ 로 낮고, 히트 사이클 시험 후에는 접합률은 대폭 저하되었다.
한편, Al-Ti-Si 층이 확인된 본 발명예 2-1 ∼ 2-7 에서는 초기 접합률은 97.8 ％ 이상으로 높고, 히트 사이클 시험 후의 접합률도 높은 상태로, 접합 신뢰성이 높은 파워 모듈인 것이 확인되었다.
(실시예 3)
이하에, 본 발명의 효과를 확인하기 위하여 실시한 확인 실험의 결과에 대해 설명한다.
본 발명예 3-1 ∼ 3-5 의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈을 다음과 같이 하여 제조하였다. 먼저, 표 3 에 나타내는 세라믹스 기판의 일방의 면에, 회로층이 되는 순도 99 ％ 이상의 Al (2N - Al) 판을 적층한다. 또, 세라믹스 기판의 제 2 면에는, Al 층이 되는 순도 99 ％ 이상의 알루미늄판 (Si 를 0.25 질량％ 함유) 을 적층하고, 추가로 티탄박을 개재하여 무산소 구리의 구리판을 적층한다. 여기서, 알루미늄판과 세라믹스 기판 사이에는, Al-Si 계의 납재박을 개재하여 적층하였다. 이어서, 표 3 에 나타내는 조건으로 가열 처리를 실시하여, 세라믹스 기판의 제 1 면 및 제 2 면에 회로층 및 Al 층을 형성함과 함께, Al 층, 티탄박, 구리판을 고상 확산 접합하여 금속층을 형성하였다. 그리고, 파워 모듈용 기판의 금속층과 표 3 에 나타내는 히트 싱크를 Sn-Sb 계의 땜납재를 사용하여 접합하였다. 또, 회로층의 일방의 면에, Sn-Sb 계의 땜납재를 개재하여 반도체 소자를 접합하였다.
다음으로, 본 발명예 3-6 ∼ 3-8 의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈의 제조 방법을 설명한다. 세라믹스 기판의 일방의 면에, Al 층이 되는 Si 를 0.25 질량％ 함유하는 2N 알루미늄판을 적층하고, 추가로 그 위에 티탄박을 개재하여 표 3 에 기재된 금속 부재층을 구성하는 금속판을 적층한다. 또, 세라믹스 기판의 제 2 면에는, Al 층이 되는 순도 99 ％ 이상의 알루미늄판 (Si 를 0.25 질량％ 함유) 을 적층하고, 추가로 티탄박을 개재하여 표 3 에 기재된 금속 부재층을 구성하는 금속판을 적층한다. 여기서, 알루미늄판과 세라믹스 기판 사이에는, Al-Si 계의 납재박을 개재하여 적층하였다. 이어서, 표 3 에 나타내는 조건으로 가열 처리를 실시하여, 세라믹스 기판의 제 1 면 및 제 2 면에 Al 층을 형성함과 함께, Al 층, 티탄박, 금속 부재로 이루어지는 판을 고상 확산 접합하여 회로층 및 금속층을 형성하였다.
그리고, 파워 모듈용 기판의 금속층과 표 3 에 나타내는 히트 싱크를 Sn-Sb 계의 땜납재를 사용하여 접합하였다. 또, 회로층의 일방의 면에, Sn-Sb 계의 땜납재를 개재하여 반도체 소자를 접합하였다.
비교예 1 의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈은, Al 층으로서 순도 99.99 ％ 이상의 알루미늄 (4N 알루미늄) 을 사용한 것 이외에는, 본 발명예 3-1 의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈과 동일하게 하여 제조하였다. 또한, 가열 처리는 표 3 에 나타내는 조건으로 실시하였다.
이와 같이 하여 제조된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈의 금속층에 있어서의 Al 층과 금속 부재층의 접합부에 있어서, 단면 관찰을 실시하여, Al-Ti-Si 층의 유무를 확인하였다.
또, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈에 대해, 냉열 사이클 시험 (히트 사이클 시험) 을 실시하여, 시험 후의 세라믹스 기판과 금속층의 접합률을 평가하였다.
단면 관찰, 냉열 사이클 시험 (히트 사이클 시험) 및 접합률의 평가는, 실시예 1 및 실시예 2 에 기재된 바와 같이 하였다. 단, 히트 사이클의 횟수는 3000 회로 하고, 접합률의 평가는 냉열 사이클 시험 (히트 사이클 시험) 후의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈에 대해 실시하여, Al 층과 금속 부재층의 접합부의 접합률을 평가하였다.
이상의 평가 결과를 표 3 에 나타낸다
Figure pct00003
Al-Ti-Si 층이 확인된 본 발명예 3-1 ∼ 3-8 에서는 냉열 사이클 시험 후의 접합률은 94.4 ％ 이상으로 높고, 접합 신뢰성이 높은 파워 모듈인 것이 확인되었다.
한편, Al-Ti-Si 층이 확인되지 않았던 비교예 3-1 에서는, 히트 사이클 시험 후의 접합률은, 본 발명예와 비교하면 대폭 저하되었다.
산업상 이용가능성
본 발명에 의하면, 알루미늄 부재 (Al 층) 와, 구리, 니켈, 은 중 어느 것으로 이루어지는 금속 부재 (금속 부재층) 가 양호하게 접합되어, 히트 사이클이 부하되었을 때에 접합부에 있어서의 크랙의 발생을 억제할 수 있어, 접합 신뢰성이 양호한 접합체, 파워 모듈용 기판, 및 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 제공할 수 있다.
10, 210, 510, 610 파워 모듈용 기판
11, 511 세라믹스 기판 (절연층)
12, 612 회로층 (접합체)
12A, 313A, 513A, 612A Al 층
12B, 313B, 513B, 612B Cu 층 (금속 부재층)
13 금속층
15, 215, 315, 515, 615, 715 Ti 층
16, 216, 516 Al-Ti-Si 층
16A, 216A, 516A 제 1 Al-Ti-Si 층
16B, 216B, 516B 제 2 Al-Ti-Si 층
212, 512 회로층
213 금속층 (Al 층)
230, 530, 630 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판
231, 531 히트 싱크 (금속 부재)
313, 513 금속층 (접합체)

Claims (8)

  1. 알루미늄으로 이루어지는 알루미늄 부재와, 구리, 니켈, 또는 은으로 이루어지는 금속 부재가 접합된 접합체로서,
    상기 알루미늄 부재와 상기 금속 부재의 접합부에는,
    상기 금속 부재측에 위치하는 Ti 층과,
    상기 Ti 층과 상기 알루미늄 부재 사이에 위치하고 Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al-Ti-Si 층이 형성되어 있고,
    상기 Al-Ti-Si 층은,
    상기 Ti 층측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층과,
    상기 알루미늄 부재측에 형성되고 상기 제 1 Al-Ti-Si 층보다 Si 농도가 낮은 제 2 Al-Ti-Si 층을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 접합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 Al-Ti-Si 층에 함유되는 Si 농도가 1 at％ 이상인 것을 특징으로 하는 접합체.
  3. 절연층과, 상기 절연층의 일방의 면에 형성된 회로층을 구비하고,
    상기 회로층이 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 접합체로 이루어지고,
    상기 회로층은, 상기 절연층의 일방의 면에 형성되고 상기 알루미늄 부재로 이루어지는 Al 층과, 이 Al 층의 일방의 면에 형성되고 상기 금속 부재로 이루어지는 금속 부재층을 갖고,
    상기 Al 층과 상기 금속 부재층의 접합부에는,
    상기 금속 부재층측에 위치하는 Ti 층과,
    상기 Ti 층과 상기 Al 층 사이에 위치하고 Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al-Ti-Si 층이 형성되어 있고,
    상기 Al-Ti-Si 층은,
    상기 Ti 층측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층과,
    상기 Al 층측에 형성되고 상기 제 1 Al-Ti-Si 층보다 Si 농도가 낮은 제 2 Al-Ti-Si 층을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 절연층의 타방의 면에 형성된 금속층을 구비하고,
    상기 금속층이 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 접합체로 이루어지고,
    상기 금속층은, 상기 절연층의 타방의 면에 형성되고 상기 알루미늄 부재로 이루어지는 Al 층과, 이 Al 층 중 상기 절연층이 형성된 면과 반대측의 면에 형성되고 상기 금속 부재로 이루어지는 금속 부재층을 갖고,
    상기 Al 층과 상기 금속 부재층의 접합부에는,
    상기 금속 부재층측에 위치하는 Ti 층과,
    상기 Ti 층과 상기 Al 층 사이에 위치하고 Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al-Ti-Si 층이 형성되어 있고,
    상기 Al-Ti-Si 층은,
    상기 Ti 층측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층과,
    상기 Al 층측에 형성되고 상기 제 1 Al-Ti-Si 층보다 Si 농도가 낮은 제 2 Al-Ti-Si 층을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  5. 절연층과, 이 절연층의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 절연층의 타방의 면에 형성된 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판으로서,
    상기 금속층은 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 접합체로 이루어지고,
    상기 알루미늄 부재로 이루어지는 Al 층과 상기 금속 부재로 이루어지는 금속 부재층의 접합부에는,
    상기 금속 부재층측에 위치하는 Ti 층과,
    상기 Ti 층과 상기 Al 층 사이에 위치하고 Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al-Ti-Si 층이 형성되어 있고,
    상기 Al-Ti-Si 층은,
    상기 Ti 층측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층과,
    상기 Al 층측에 형성되고 상기 제 1 Al-Ti-Si 층보다 Si 농도가 낮은 제 2 Al-Ti-Si 층을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 상기 금속층에 접합된 히트 싱크를 구비하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속층과 상기 히트 싱크가 땜납층을 개재하여 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
  8. 절연층과, 이 절연층의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 절연층의 타방의 면에 형성된 금속층과, 이 금속층에 접합된 히트 싱크를 구비하고,
    상기 금속층과 상기 히트 싱크가 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 접합체로 이루어지고,
    상기 금속층 및 상기 히트 싱크의 접합면의 일방이 알루미늄으로 구성되고,
    상기 금속층 및 상기 히트 싱크의 접합면의 타방이 구리, 니켈, 또는 은으로 구성되고,
    상기 금속층과 상기 히트 싱크의 접합부에는,
    상기 접합면이 구리, 니켈, 또는 은으로 이루어지는 상기 금속층 또는 상기 히트 싱크측에 위치하는 Ti 층과,
    상기 접합면이 알루미늄으로 이루어지는 상기 금속층 또는 상기 히트 싱크와, 상기 Ti 층 사이에 위치하고 Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al-Ti-Si 층이 형성되어 있고,
    상기 Al-Ti-Si 층은,
    상기 Ti 층측에 형성된 제 1 Al-Ti-Si 층과,
    상기 접합면이 알루미늄으로 이루어지는 상기 금속층 또는 상기 히트 싱크측에 형성되고 상기 제 1 Al-Ti-Si 층보다 Si 농도가 낮은 제 2 Al-Ti-Si 층을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
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KR20180073022A (ko) * 2016-12-22 2018-07-02 한온시스템 주식회사 클래드 메탈을 이용한 전자 부품 및 열교환기의 결합구조

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