KR20150133191A - 파워 모듈용 기판의 제조 방법 - Google Patents

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KR20150133191A
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요시유키 나가토모
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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

이 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면측에 있어서, 활성 금속재 (26) 및 융점이 660 ℃ 이하인 용가재 (25) 를 개재하여, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) 을 적층하는 제 1 적층 공정과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면측에 있어서, 접합재 (27) 를 개재하여 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (23) 을 적층하는 제 2 적층 공정과, 적층된 세라믹스 기판 (11), 구리판 (22), 및 알루미늄판 (23) 을 가열 처리하는 가열 처리 공정을 구비하고, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22), 및 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (23) 을 동시에 접합한다.

Description

파워 모듈용 기판의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING POWER-MODULE SUBSTRATE}
본 발명은, 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층이 배치 형성되고, 타방의 면에 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은, 2013년 3월 18일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2013-055518호에 대해 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
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 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, 도전성이 우수한 금속판을 회로층 및 금속층으로서 접합한 파워 모듈용 기판이 종래부터 널리 사용되고 있다. 또한, 이와 같은 파워 모듈용 기판은, 금속층측에, 땜납재를 개재하여 히트 싱크가 접합되는 경우도 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에 나타내는 파워 모듈용 기판에 있어서는, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, 구리판을 접합함으로써 회로층 및 금속층이 형성된 구조로 되어 있다. 이 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, Ag-Cu-Ti 계 납재를 개재시켜 구리판을 배치하고, 가열 처리를 실시함으로써 구리판이 접합되어 있다.
그런데, 땜납재를 개재하여 특허문헌 1 에 개시된 파워 모듈용 기판의 금속층과 히트 싱크를 접합한 경우, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크 사이에 열팽창 계수의 차에서 기인하는 열 응력이 발생하는데, 금속층이 변형 저항이 큰 구리로 이루어지므로, 전술한 열 응력을 금속층이 변형됨으로써 흡수할 수 없어, 세라믹스 기판에 균열이 발생할 우려가 있었다.
그래서, 특허문헌 2 에는, 세라믹스 기판의 일방의 면에 구리판을 접합함으로써 회로층이 형성되고, 타방의 면에 알루미늄판을 접합함으로써 금속층이 형성된 파워 모듈용 기판이 제안되어 있다. 이 파워 모듈용 기판의 금속층과 히트 싱크를 접합한 경우, 냉열 사이클이 부하되었을 때에 파워 모듈용 기판과 히트 싱크 사이에 발생하는 열 응력을, 비교적 변형 저항이 작은 알루미늄으로 이루어지는 금속층에 의해 흡수하여, 세라믹스 기판에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
여기서, 특허문헌 2 에 기재된 파워 모듈용 기판에서는, 세라믹스 기판의 일방의 면에 Ag-Cu-Ti 계 납재를 개재시켜 가열 처리를 실시하여, 구리판을 접합한 후에, 세라믹스 기판의 타방의 면에 Al-Si 계 납재를 개재시켜 가열 처리를 실시하여, 알루미늄판을 접합하고 있다.
일본 특허공보 제3211856호 일본 공개특허공보 2003-197826호
그런데, 특허문헌 1, 2 에 개시된 바와 같이, Ag-Cu-Ti 계 납재를 사용하여 세라믹스 기판과 구리판을 접합하면, Ag-Cu-Ti 계 납재의 융점이 높기 때문에, 세라믹스 기판이 열에 의해 열화되어 버리는 문제가 있었다.
또, Ag-Cu-Ti 계 납재는, 고가의 Ag 를 함유하고 있으므로 제조 비용이 높아지는 문제도 있었다.
또, Ag-Cu-Ti 계 납재는, 그 융점이 알루미늄판의 융점보다 높기 때문에, 특허문헌 2 에 개시된 파워 모듈용 기판과 같이, 세라믹스 기판의 일방의 면에 Ag-Cu-Ti 계 납재를 개재하여 구리판을 접합하고, 세라믹스 기판의 타방의 면에 Al-Si 계 납재를 개재하여 알루미늄판을 접합할 때에는, 먼저 구리판을 접합한 후에, 이어서 알루미늄판을 접합해야 했다. 즉, 회로층 및 금속층을 형성하기 위해서, 접합을 두 번으로 나누어 실시해야 하여, 제조 공정이 복잡화됨과 함께 제조에 필요로 하는 시간도 길어져, 제조 비용이 높아지는 문제가 있었다. 또한, 접합시에 2 회 열처리가 실시됨으로써, 세라믹스 기판에 가해지는 열 부하가 커져, 세라믹스 기판의 휨이 커지거나 세라믹스 기판에 균열이 발생하거나 할 우려도 있었다.
본 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 세라믹스 기판의 일방의 면에 구리판을, 타방의 면에 알루미늄판을, 동시에 또한 저온에서 접합할 수 있고, 또한 제조 비용이 낮은 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 양태는, 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 구리판이 접합되어 이루어지는 회로층과, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 알루미늄판이 접합되어 이루어지는 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 세라믹스 기판의 일방의 면측에 있어서, 활성 금속재 및 융점이 660 ℃ 이하인 용가재 (溶加材) 를 개재하여, 상기 세라믹스 기판과 상기 구리판을 적층하는 제 1 적층 공정과, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면측에 있어서, 접합재를 개재하여 상기 세라믹스 기판과 상기 알루미늄판을 적층하는 제 2 적층 공정과, 적층된 상기 세라믹스 기판, 상기 구리판, 및 상기 알루미늄판을 가열 처리하는 가열 처리 공정을 구비하고, 상기 세라믹스 기판과 상기 구리판, 및 상기 세라믹스 기판과 상기 알루미늄판을 동시에 접합한다.
또한, 본 발명에 있어서 융점은, 고상선 온도로 되어 있다. 또, 본 발명에 있어서 용가재는 납재 또는 땜납재 등을 가리킨다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 기판의 일방의 면측에, 활성 금속재 및 융점이 660 ℃ 이하인 용가재를 개재하여 구리판을 적층하고, 상기 세라믹스 기판과, 그 세라믹스 기판 상에 적층된 상기 구리판을, 상기 세라믹스 기판 상에 적층된 상기 알루미늄판과 함께 가열 처리한다. 가열 처리시, 용융된 액상의 용가재에 활성 금속이 용해되고, 액상의 용가재의 세라믹스 기판에 대한 젖음성이 높아져, 용가재가 응고된 후에는 세라믹스 기판에 용가재를 개재하여 구리판이 양호하게 접합된다.
또한, 상기 용가재의 융점은 600 ℃ 이하인 것이 바람직하다.
또, 용가재의 융점이 660 ℃ 이하로 되어 있으므로, Ag-Cu-Ti 계 납재를 사용한 경우보다 낮은 온도에서 용가재의 액상을 형성할 수 있다. 이와 같은 저온역에서 가열 처리를 실시하면, 세라믹스 기판에 대한 열적인 부하를 경감할 수 있다.
또한, Ag 를 함유하지 않는 용가재를 사용하여 세라믹스 기판과 구리판을 접합하므로, Ag-Cu-Ti 계 납재를 사용한 경우보다 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
상기 제 1 적층 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판측에 상기 용가재를 배치하고, 상기 구리판측에 상기 활성 금속재를 배치해도 된다.
이와 같은 경우, 구리판과 활성 금속재를 가열 처리시에 고상 확산 접합에 의해 접합할 수 있고, 접합 계면에 Cu 와 활성 금속의 액상이 생겨 접합 계면에 돌기가 발생하거나 두께가 변동하거나 하는 것을 억제할 수 있게 된다. 또, 용가재의 액상과 구리판 사이에 활성 금속재가 개재되어 있으므로, 용가재의 액상과 구리판이 직접 접촉하는 경우가 없어, 접합 계면에 돌기가 발생하거나 두께가 변동하거나 하는 것을 확실하게 억제할 수 있다.
이와 같이, 용가재가 세라믹스 기판과 양호하게 접합됨과 함께, 활성 금속재와 구리판이 고상 확산 접합에 의해 접합되므로, 저온 조건에서도 세라믹스 기판과 구리판을 양호하게 접합할 수 있어, 세라믹스 기판이 열 열화되는 것을 억제할 수 있다.
또, 상기 서술한 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서, 상기 용가재는 액상선 온도 450 ℃ 이상의 납재여도 된다.
구체적으로는, 상기 납재는, Cu-P-Sn-Ni 계 납재, Cu-Sn 계 납재, 및 Cu-Al 계 납재 중에서 선택되는 어느 1 종이어도 된다.
이와 같은 납재를 사용한 경우, 납재의 융점이 낮기 때문에, 저온 조건에서도 확실하게 세라믹스 기판과 구리판의 접합을 실시할 수 있다.
또, 상기 서술한 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서, 상기 용가재는 액상선 온도 450 ℃ 미만의 땜납재여도 된다.
구체적으로는, 상기 땜납재는, Cu-P-Sn-Ni 계 땜납재 또는 Cu-Sn 계 땜납재여도 된다.
이와 같은 땜납재를 사용한 경우, 땜납재의 융점이 상기 납재보다 낮기 때문에, 보다 저온 조건에서도 세라믹스 기판과 구리판의 접합을 실시할 수 있다.
또한, 상기 서술한 바와 같이 세라믹스 기판의 일방의 면에 구리판을 저온에서 접합할 수 있기 때문에, 세라믹스 기판의 타방의 면에 알루미늄판을 동시에 접합할 수 있다. 이와 같이, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, 구리판 및 알루미늄판을 동시에 접합함으로써, 제조 공정을 간략화함과 함께 제조에 필요로 하는 시간을 단축하여, 제조 비용을 저감시킬 수 있다. 또한 1 회의 가열 처리로 구리판과 알루미늄판을 동시에 접합할 수 있으므로, 구리판과 알루미늄판을 따로 따로 접합하는 경우와 비교하여, 세라믹스 기판에 가해지는 열 부하를 저감시켜, 세라믹스 기판의 휨을 작게 할 수 있고, 또 세라믹스 기판에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또, 상기 서술한 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서, 상기 활성 금속재는 Ti 재여도 된다. 이로써, 용가재의 액상 중에 Ti 가 용해됨으로써 확실하게 세라믹스 기판의 표면을 용가재의 액상으로 젖게 할 수 있음과 함께, Ti 재와 구리판을 고상 확산 접합할 수 있어, 세라믹스 기판과 구리판을 확실하게 접합하는 것이 가능해진다.
본 발명에 의하면, 세라믹스 기판의 일방의 면에 구리판을, 타방의 면에 알루미늄판을, 동시에 또한 저온에서 접합할 수 있고, 또한 제조 비용이 낮은 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 3 은, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로도이다.
도 4 는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 5 는, 본 발명의 다른 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 6 은, 본 발명의 다른 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 개략 설명도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 에, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (10) 을 구비한 파워 모듈 (1) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (1) 은, 회로층 (12) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (10) 과, 회로층 (12) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 접합층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 파워 모듈용 기판 (10) 의 타방측 (도 1 에 있어서 하측) 에 배치된 히트 싱크 (30) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 2 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (12) 와, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 2 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (13) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄), Si3N4 (질화규소), Al2O3 (알루미나) 등의 세라믹스로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 방열성이 우수한 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에, 도전성을 갖는 구리 또는 구리 합금의 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 은, 순도 99.99 질량％ 이상의 구리의 압연판을 접합함으로써 형성되어 있다. 또한, 회로층 (12) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.3 ㎜ 로 설정되어 있다.
금속층 (13) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 은, 순도 99.99 질량％ 이상의 알루미늄의 압연판을 접합함으로써 형성되어 있다. 또한, 금속층 (13) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하의 범위 내로 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, 접합층 (2) 을 개재하여 접합되어 있다.
접합층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 되어 있다.
히트 싱크 (30) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (10) 으로부터의 열을 방산하기 위한 것이다. 본 실시형태에 있어서는, 히트 싱크 (30) 는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되어 있고, 본 실시형태에서는 A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다. 이 히트 싱크 (30) 에는, 냉각용의 유체가 흐르기 위한 유로 (31) 가 형성되어 있다. 또한, 이 히트 싱크 (30) 와 금속층 (13) 이 Al-Si 계 납재에 의해 접합되어 있다.
다음으로, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈 (1) 의 제조 방법에 대해, 도 3의 플로도 및 도 4 를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 4 에 있어서 상면) 에, 용가재 (25), 활성 금속재 (26), 및 회로층 (12) 이 되는 구리판 (22) 을 순서대로 적층함 (제 1 적층 공정 S01) 과 함께, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 4 에 있어서 하면) 에, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 접합재 (27) 및 금속층 (13) 이 되는 알루미늄판 (23) 을 순서대로 적층한다 (제 2 적층 공정 S02). 즉, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) 사이에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 측에 용가재 (25) 를 배치하고, 구리판 (22) 측에 활성 금속재 (26) 를 배치하고 있으며, 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (23) 사이에 있어서 접합재 (27) 를 배치하고 있다.
여기서, 용가재 (25) 는, 융점이 660 ℃ 이하인 Cu-P-Sn-Ni 계 납재, Cu-Sn 계 납재, 또는 Cu-Al 계 납재, Cu-P-Sn-Ni 계 땜납재 또는 Cu-Sn 계 땜납재로 되어 있다. 또, 바람직하게는, 융점이 600 ℃ 이하로 되어 있으면 된다. 본 실시형태에서는, 용가재 (25) 로서 Cu-P-Sn-Ni 계 납재 박 (箔) (Cu-7 mass％ P-15 mass％ Sn-10 mass％ Ni) 을 사용하고 있다. 용가재 (25) 의 두께는, 5 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하의 범위로 되어 있다.
활성 금속재 (26) 는, 예를 들어 Ti, Zr, Nb, Hf 와 같은 활성 원소 중 어느 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것으로 되어 있고, 본 실시형태에서는, 활성 금속재 (26) 로서 Ti 박을 사용하고 있다. 활성 금속재 (26) 의 두께는, 1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하의 범위로 되어 있다.
접합재 (27) 는, 본 실시형태에서는, 융점 강하 원소인 Si 를 함유한 Al-Si 계 납재로 되어 있고, 구체적으로는, Al-7.5 mass％ Si 납재를 사용하고 있다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11), 용가재 (25), 활성 금속재 (26), 구리판 (22), 접합재 (27), 및 알루미늄판 (23) 을 적층 방향으로 1 ∼ 35 kgf/㎠ (98 ∼ 3430 ㎪) 로 가압한 상태에서, 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다 (가열 처리 공정 S03). 여기서, 본 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도는 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간은 30 분 이상 360 분 이하의 범위로 설정하고 있다.
이 가열 처리 공정 S03 에 있어서는, 활성 금속재 (26) (Ti 박) 와 구리판 (22) 이 고상 확산 접합에 의해 접합됨과 함께, 용가재 (25) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상이 응고됨으로써, 용가재 (25) 를 개재하여, 세라믹스 기판 (11) 과 활성 금속재 (26) 가 접합되게 된다. 또, 가열 처리 공정 S03 에 있어서는, 접합재 (27) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상이 응고됨으로써, 접합재 (27) 를 개재하여 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (23) 이 접합된다.
또한, 고상 확산 접합에 의해 접합되는 활성 금속재 (26) 와 구리판 (22) 의 접합면은 미리 평활한 면으로 되어 있다.
이로써, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 회로층 (12) 이 형성됨과 함께, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 금속층 (13) 이 형성되어, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 이 제조된다.
이어서, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 의 하면에, Al-Si 계 납재를 개재하여 히트 싱크 (30) 를 접합한다 (히트 싱크 접합 공정 S04).
다음으로, 파워 모듈용 기판 (10) 의 회로층 (12) 의 상면에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S05).
이와 같이 하여, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈 (1) 이 제조된다.
본 실시형태의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) 사이에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 측에 융점이 660 ℃ 이하인 용가재 (25) 를 배치하고, 구리판 (22) 측에 활성 금속재 (26) (본 실시형태에 있어서는 Ti 박) 를 배치한 상태에서 가열 처리를 실시하므로, 가열시, 용융된 액상의 용가재 (25) 에 Ti 가 용해되고, 액상의 용가재 (25) 의 세라믹스 기판 (11) 에 대한 젖음성이 높아져, 용가재 (25) 가 응고된 후에는 구리판 (22) 이 용가재 (25) 를 개재하여 세라믹스 기판 (11) 에 접합되어, 높은 접합 신뢰성을 갖게 된다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 활성 금속재 (26) 와 구리판 (22) 을 적층하고, 가압한 상태에서, 온도 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하로 가열하여 유지하므로, 활성 금속재 (26) 에 함유되는 Ti 원자를 구리판 (22) 중에 확산시키고, 구리판 (22) 에 함유되는 구리 원자를 활성 금속재 (26) 중에 확산시켜, 활성 금속재 (26) 와 구리판 (22) 을 고상 확산 접합할 수 있다.
가열 온도가 600 ℃ 이상인 경우, 활성 금속재 (26) 에 함유되는 Ti 원자와 구리판 (22) 에 함유되는 구리 원자의 확산이 촉진되어, 단시간에 충분히 고상 확산시킬 수 있다. 또, 가열 온도가 650 ℃ 이하인 경우, 활성 금속재 (26) 와 구리판 (22) 사이에 액상이 생겨 접합 계면에 돌기가 발생하거나 두께가 변동하거나 하는 것을 억제할 수 있다. 그 때문에, 가열 온도는, 상기의 범위로 설정되어 있다.
또, 가열 처리 공정 S03 에 있어서, 적층 방향으로 가압되는 압력이 1 kgf/㎠ (98 ㎪) 이상인 경우에는, 활성 금속재 (26) 와 구리판 (22) 을 충분히 접합시킬 수 있어, 활성 금속재 (26) 와 구리판 (22) 사이에 간극이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또, 가압되는 압력이 35 kgf/㎠ (3430 ㎪) 이하인 경우에는, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 그 때문에, 가압되는 압력은 상기의 범위로 설정되어 있다.
또, 용가재 (25) 의 융점이 660 ℃ 이하로 되어 있으므로, Ag-Cu-Ti 계 납재를 사용한 경우보다 낮은 온도에서 용가재의 액상을 형성할 수 있다.
또, 용가재 (25) 와 구리판 (22) 사이에 활성 금속재 (26) 가 개재되어 있으므로, 용가재 (25) 의 액상과 구리판 (22) 이 직접 접촉하는 경우가 없어, 접합계면에 돌기가 발생하거나 두께가 변동하거나 하는 것을 억제할 수 있다.
또한 활성 금속재 (26) 와 구리판 (22) 이 접합되는 면은, 미리 평활한 면으로 되어 있으므로, 접합 계면에 간극이 발생하는 것을 억제할 수 있어, 활성 금속재 (26) 와 구리판 (22) 을 확실하게 접합할 수 있다.
상기 서술한 바와 같이, 용가재 (25) 가 세라믹스 기판 (11) 과 양호하게 접합됨과 함께, 활성 금속재 (26) 와 구리판 (22) 이 고상 확산 접합에 의해 접합되므로, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) 을 양호하게 접합할 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, Ag 를 함유하지 않는 용가재 (25) 를 사용하여 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) 을 접합하므로, Ag-Cu-Ti 계 납재를 사용한 경우보다 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
또한, 상기 서술한 바와 같이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 구리판 (22) 을 저온에서 접합할 수 있기 때문에, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 구리판 (22) 을, 타방의 면에 알루미늄판 (23) 을 동시에 접합할 수 있다.
이와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 및 타방의 면에, 구리판 (22) 및 알루미늄판 (23) 을 동시에 접합함으로써, 제조 공정을 간략화함과 함께 제조에 필요로 하는 시간을 단축하여, 제조 비용을 저감시킬 수 있다. 또한 1 회의 가열 처리로 구리판 (22) 과 알루미늄판 (23) 을 접합할 수 있으므로, 구리판 (22) 과 알루미늄판 (23) 을 따로따로 접합하는 경우와 비교하여, 세라믹스 기판 (11) 에 가해지는 열 부하를 저감시킬 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 의 휨을 작게 하거나, 세라믹스 기판 (11) 의 균열의 발생을 억제하거나 하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (10), 파워 모듈 (1) 에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 구리판 (22) 으로 이루어지는 회로층 (12) 이 형성되어 있으므로, 반도체 소자 (3) 로부터의 열을 확장하여 세라믹스 기판 (11) 측으로 방산할 수 있다. 또, 구리판 (22) 은 변형 저항이 크기 때문에, 히트 사이클이 부하되었을 때에, 회로층 (12) 의 변형이 억제되고, 반도체 소자 (3) 와 회로층 (12) 을 접합하는 접합층 (2) 의 변형을 억제하여, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 알루미늄판 (23) 으로 이루어지는 금속층 (13) 이 형성되어 있으므로, 히트 사이클 부하시에 파워 모듈용 기판 (10) 과 히트 싱크 (30) 사이에 발생하는 열 응력을 금속층 (13) 에 의해 흡수하여, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
또한, 상기 실시형태에서는, 접합재로서 Al-Si 계 납재를 개재하여 세라믹스 기판과 알루미늄판을 접합하는 경우에 대해 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어, 과도 액상 접합법 (Transient Liquid Phase Bonding, TLP) 을 적용하여 접합해도 된다. 과도 액상 접합법에서는, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 알루미늄판 (23) 중 세라믹스 기판 (11) 과의 접합면에, 스퍼터링법 등에 의해 Si, Cu 등의 첨가 원소를 고착시켜 고착층 (127) 을 형성한 후에, 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (23) 을 적층하고, 적층 방향으로 가압하여, 가열 처리를 실시함으로써 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (23) 을 접합할 수 있다. 즉, 과도 액상 접합법에서는, 접합재로서 고착층 (127) 을 개재하여 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (23) 을 적층하고, 구리판 (22) 과 알루미늄판 (23) 을 동시에 접합할 수 있다.
과도 액상 접합법에 있어서, 적층 방향으로 가압할 때의 압력은, 1 kgf/㎠ (98 ㎪) 이상 35 kgf/㎠ (3430 ㎪) 이하로 되어 있다. 또, 가열 처리에 있어서의 가열 온도 및 가열 시간은, 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하, 30 분 이상 360 분 이하로 되어 있다.
또한, 고착층의 첨가 원소로서, Si, Cu 외에, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, 또는 Li 등의 첨가 원소를 사용해도 된다.
또, 접합재로서 금속 입자와 유기물을 갖는 금속 페이스트를 사용함으로써 세라믹스 기판과 알루미늄판을 접합할 수도 있다. 금속 페이스트로는, 예를 들어 Ag 입자와 유기물을 갖는 Ag 페이스트를 들 수 있다. 구체적으로는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에, 스크린 인쇄 등에 의해 Ag 페이스트 (227) 를 도포하고, Ag 페이스트 (227) 를 개재하여 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (23) 을 적층하여 가열 처리를 실시함으로써, 구리판 (22) 과 알루미늄판 (23) 을 세라믹스 기판 (11) 에 동시에 접합할 수 있다. Ag 페이스트 (227) 를 사용하여 접합하는 경우, 적층 방향으로 가압할 때의 압력은, 1 kgf/㎠ (98 ㎪) 이상 35 kgf/㎠ (3430 ㎪) 이하로 되어 있다. 또, 가열 처리에 있어서의 가열 온도 및 가열 시간은, 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하, 30 분 이상 360 분 이하로 되어 있다.
또, 상기의 실시형태에서는, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크를 Al-Si 계 납재를 개재하여 접합하는 경우에 대해 설명했지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 상기 서술한 과도 액상 접합법 (TLP) 을 적용하여, 고착층을 개재하여 파워 모듈용 기판과 히트 싱크를 접합해도 된다. 또, Ag 입자와 유기물을 갖는 Ag 페이스트를 개재하여 파워 모듈용 기판과 히트 싱크를 접합해도 된다.
또한, 히트 싱크로서 냉각용의 유로를 갖는 것으로 설명했지만, 히트 싱크의 구조에 특별히 한정은 없고, 예를 들어 공랭 방식의 히트 싱크여도 된다. 또, 히트 싱크는, 방열 핀을 가지고 있어도 된다.
실시예
이하에, 본 발명의 효과를 확인하기 위하여 실시한 확인 실험의 결과에 대해 설명한다.
먼저, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜ × 0.635 ㎜t (두께)) 의 일방의 면에 표 1 에 나타내는 용가재, 활성 금속재, 순도 99.99 ％ 의 구리로 이루어지는 구리판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 0.3 ㎜t) 을 적층하고, 타방의 면에 표 1 에 나타내는 접합재를 개재하여 알루미늄판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 1.6 ㎜t) 을 적층한다.
또한, 활성 금속의 위치가 구리판측으로 된 본 발명예 1 ∼ 12 에 대해서는, 세라믹스 기판/용가재/활성 금속재/구리판의 순서로 적층하고, 세라믹스 기판측으로 된 본 발명예 13 에 대해서는 세라믹스 기판/활성 금속재/용가재/구리판의 순서로 적층하였다.
또한, 표 1 에 나타내는 접합재로서,「Al-Si」는, Al-7.5 mass％ Si 납재로 하였다. 「Cu (TLP)」는, 고착층으로서 Cu 를 사용하였다. 「Ag 페이스트」는, Ag 입자와 유기물을 함유하는 Ag 페이스트로 하였다.
그리고, 적층 방향으로 압력 12 kgf/㎠ (1176 ㎪) 로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하고, 가열함으로써 세라믹스 기판의 일방의 면에 구리판을 접합하고, 타방의 면에 알루미늄판을 접합하며, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에 회로층 및 금속층을 형성하였다. 여기서, 진공 가열로 내의 압력을 10-6 Pa 이상, 10-3 Pa 이하의 범위 내로 설정하고, 가열 온도 및 가열 시간은 표 1 에 나타내는 조건으로 하였다. 이와 같이 하여 파워 모듈용 기판을 얻었다.
이어서, 상기 서술한 파워 모듈용 기판의 금속층의 타방의 면측에 히트 싱크를 접합하였다. 히트 싱크는, A6063 으로 이루어지는 알루미늄판 (50 ㎜ × 60 ㎜ × 5 ㎜t) 으로 하고, 히트 싱크의 접합은 표 1 에 나타내는 방법으로 실시하였다. 표 1 의 히트 싱크의 접합 방법에 나타내는 「Al-Si」에서는 Al-10.5 mass％ Si 납재를 사용하고, 「Cu (TLP)」에서는 Cu 의 고착층을 사용하며, 「Ag 페이스트」에서는 Ag 입자와 유기물을 함유하는 Ag 페이스트를 사용하여 접합을 실시하였다. 파워 모듈용 기판과 세라믹스 기판의 접합시의 압력은 12 kgf/㎠ (1176 ㎪), 가열 온도는 610 ℃, 가열 시간은 60 분으로 하여, 진공 분위기에서 실시하였다.
이와 같이 하여, 본 발명예 1 ∼ 13 의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 제작하였다.
상기 서술한 바와 같이 하여 얻어진 본 발명예의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 대해, 회로층과 세라믹스 기판의 접합률, 및 금속층과 세라믹스 기판의 접합률을 평가하였다. 또한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 대해, 냉열 사이클 시험을 실시하여, 시험 후의 회로층과 세라믹스 기판의 접합률, 및 금속층과 세라믹스 기판의 접합률을 평가하였다.
냉열 사이클의 시험 방법과 접합률의 평가 방법을 이하에 설명한다.
(냉열 사이클 시험)
냉열 사이클 시험은, 냉열 충격 시험기 에스펙사 제조 TSB-51 을 사용하고, 액상 (플로리너트) 중에서, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 -40 ℃ 의 온도 환경하에 5 분 유지한 후, 125 ℃ 까지 가온하여 동 온도 환경하에 5 분 유지하고, 다시 -40 ℃ 의 온도 환경하로 되돌리는 프로세스를 1 사이클로 하여, 이 온도 변화의 프로세스를 3000 사이클 실시하였다.
(접합률 평가)
히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 대해, 세라믹스 기판과 회로층의 계면의 접합률, 및 세라믹스 기판과 금속층의 계면의 접합률에 대해 초음파 탐상 장치를 사용하여 평가하고, 이하의 식으로부터 산출하였다.
여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적, 즉 본 실시예에서는 회로층 및 금속층의 면적으로 하였다. 초음파 탐상 이미지에 있어서 박리는 접합부 내의 백색부로 나타나므로, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 하였다. 또한, 세라믹스 기판, 회로층, 및 금속층에 크랙이 발생했을 경우, 이 크랙은 초음파 탐상 이미지에 있어서 백색부로 나타나, 크랙도 박리 면적으로서 평가되게 된다.
Figure pct00001
이상의 평가의 결과를 표 1 에 나타낸다.
Figure pct00002
융점이 660 ℃ 이하인 용가재를 사용하고, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에 회로층 및 금속층을 동시에 형성한 본 발명예 1 ∼ 13 에 있어서는, 초기의 접합률은 높고, 냉열 사이클이 부하된 후에도 높은 접합률을 유지할 수 있는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판이 얻어지는 것이 확인되었다.
본 발명은, 세라믹스 기판의 일방의 면에 구리판을, 타방의 면에 알루미늄판을, 각각 동시에 또한 저온에서 접합할 수 있고, 또한 제조 비용이 낮은 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
10 : 파워 모듈용 기판
11 : 세라믹스 기판
12 : 회로층
13 : 금속층
22 : 구리판
23 : 알루미늄판
25 : 용가재
26 : 활성 금속재
27, 127, 227 : 접합재

Claims (7)

  1. 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 구리판이 접합되어 이루어지는 회로층과, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 알루미늄판이 접합되어 이루어지는 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 세라믹스 기판의 일방의 면측에 있어서, 활성 금속재 및 융점이 660 ℃ 이하인 용가재를 개재하여, 상기 세라믹스 기판과 상기 구리판을 적층하는 제 1 적층 공정과,
    상기 세라믹스 기판의 타방의 면측에 있어서, 접합재를 개재하여 상기 세라믹스 기판과 상기 알루미늄판을 적층하는 제 2 적층 공정과,
    적층된 상기 세라믹스 기판, 상기 구리판, 및 상기 알루미늄판을 가열 처리하는 가열 처리 공정을 구비하고,
    상기 세라믹스 기판과 상기 구리판, 및 상기 세라믹스 기판과 상기 알루미늄판을 동시에 접합하는, 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 적층 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판측에 상기 용가재를 배치하고, 상기 구리판측에 상기 활성 금속재를 배치하는, 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서
    상기 용가재가 액상선 온도 450 ℃ 이상의 납재인, 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 납재는, Cu-P-Sn-Ni 계 납재, Cu-Sn 계 납재, 및 Cu-Al 계 납재 중에서 선택되는 어느 1 종인, 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서
    상기 용가재가 액상선 온도 450 ℃ 미만의 땜납재인, 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 땜납재는 Cu-P-Sn-Ni 계 땜납재 또는 Cu-Sn 계 땜납재인, 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성 금속재는 Ti 재인, 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
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