KR20210097123A

KR20210097123A - 세라믹스-구리 복합체, 세라믹스-구리 복합체의 제조 방법, 세라믹스 회로 기판 및 파워 모듈

Info

Publication number: KR20210097123A
Application number: KR1020217016267A
Authority: KR
Inventors: 아키마사 유아사; 다카히로 나카무라; 슈헤이 모리타; 고지 니시무라
Original assignee: 덴카 주식회사
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2021-08-06
Also published as: US20220009842A1; CN113165986A; JPWO2020105734A1; EP3885331B1; JP7410872B2; EP3885331A4; EP3885331A1; WO2020105734A1; CN116353153A

Abstract

세라믹스층과, 구리층과, 세라믹스층과 구리층 사이에 존재하는 납재층을 구비한, 평판상의 세라믹스-구리 복합체. 여기서, 이 세라믹스-구리 복합체를, 그 주면에 수직인 면에서 절단했을 때의 절단면에 있어서의, 장변 방향의 길이 1700 ㎛ 의 영역을 영역 P 로 했을 때, 영역 P 에 있어서의, 세라믹스층과 납재층의 계면으로부터 구리층측으로 50 ㎛ 이내의 영역 P1 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정의 평균 결정 입경 D1 은, 30 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하이다.

Description

세라믹스-구리 복합체, 세라믹스-구리 복합체의 제조 방법, 세라믹스 회로 기판 및 파워 모듈

본 발명은, 세라믹스-구리 복합체, 세라믹스-구리 복합체의 제조 방법, 세라믹스 회로 기판 및 파워 모듈에 관한 것이다.

파워 모듈의 제조에 있어서는, 알루미나, 베릴리아, 질화규소, 질화알루미늄 등의 세라믹스 재료에 금속판을 접합한, 세라믹스-금속 복합체가 사용되는 경우가 있다.

최근, 파워 모듈의 고출력화나 고집적화에 수반하여, 파워 모듈로부터의 발열량은 증가의 일로를 걷고 있다. 이 발열을 효율적으로 방산시키기 위해, 고절연성과 고열전도성을 갖는 질화알루미늄 소결체나 질화규소 소결체의 세라믹스 재료가 사용되는 경향이 있다.

일례로서, 특허문헌 1 에는, 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판 상에 납재를 개재하여 접합된 금속판을 갖는 금속-세라믹스 접합체가 기재되어 있다. 이 접합체에 있어서, 금속판의 바닥면에서 비어져 나오는 납재의 길이는, 30 ㎛ 보다 길고 또한 250 ㎛ 이하이다.

다른 예로서, 특허문헌 2 에는, 세라믹스 기판의 적어도 일방의 면에 복수의 회로 패턴을 따른 납재층을 형성하고, 그 납재층을 개재하여 금속판을 접합하고, 그 금속판의 불요 부분을 에칭 처리함으로써 금속판으로 이루어지는 회로 패턴을 형성함과 함께, 금속판의 외측 가장자리에서 비어져 나온 납재층에 의한 비어져 나옴부를 형성한 세라믹스 회로 기판이 기재되어 있다. 이 세라믹 회로 기판에 있어서, 비어져 나옴부의 최대 면조도 Rmax 는, 5 내지 50 ㎛ 이다.

또 다른 예로서, 특허문헌 3 에는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, AlN 또는 Al₂O₃ 으로 이루어지는 세라믹스 부재가, Ag 및 Ti 를 함유하는 접합재를 사용하여 접합된 Cu/세라믹스 접합체가 기재되어 있다. 이 접합체에 있어서, 구리 부재와 세라믹스 부재의 접합 계면에는, Ti 질화물 또는 Ti 산화물로 이루어지는 Ti 화합물층이 형성되어 있고, 그리고, 이 Ti 화합물층 내에는 Ag 입자가 분산되어 있다.

일본 공개특허공보 2003-112980호 일본 공개특허공보 2005-268821호 일본 공개특허공보 2015-092552호

세라믹스 재료와 금속판은, 열팽창률이 크게 상이하다. 따라서, 반복적인 열 사이클 부하에 의해, 세라믹스 재료-금속판의 접합 계면에, 열팽창률차에서 기인하는 열응력이 발생한다. 그리고, 세라믹스 재료의 측에 크랙이 발생하고, 접합 불량 또는 열저항 불량을 초래하여, 파워 모듈의 신뢰성이 저하되어 버릴 가능성이 있다.

특히 최근, 전기 자동차에 대한 탑재를 의도하여, 파워 모듈의 가일층의 고출력화나 고집적화가 급격하게 진행되고 있고, 열 사이클에 의한 열응력이 한층 증대되는 경향이 있다. 그 때문에, 열 사이클 부하/열응력에 대한 대응이 한층 중요해지고 있다.

자동차 메이커는, 기능 안전성을 보장하기 위해, 종래에는 「-40 ℃ 에서의 냉각 15 분, 실온에서의 유지 15 분 및 125 ℃ 에 있어서의 가열을 15 분, 실온에서의 유지 15 분으로 하는 승온/강온 사이클을 1 사이클」로 하는 열 사이클 시험에 의해, 파워 모듈의 내구성을 평가하고 있었다.

그러나, 최근에는, 「-55 ℃ 에서의 냉각 15 분, 실온에서의 유지 15 분 및 175 ℃ 에 있어서의 가열을 15 분, 실온에서의 유지 15 분으로 하는 승온/강온 사이클을 1 사이클」로 하는, 보다 엄격한 열 사이클 시험에 의해, 파워 모듈의 내구성을 평가하도록 바뀌어 오고 있다.

특히, 냉각 온도가 저온화됨 (-40 ℃ → -55 ℃) 으로써, 세라믹스 재료에 발생하는 응력이 증대되어, 크랙이 발생하기 쉬워진다.

이와 같은, 보다 엄격해진 열 사이클 테스트의 조건에 있어서는, 종래의 세라믹스-금속 복합체 (예를 들어, 상기 서술한 특허문헌에 기재된 것) 에서는, 충분한 응력 완화/크랙 저감 등의 효과가 얻어지지 않을 가능성이 있다.

본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 본 발명의 목적 중 하나는, 엄격한 조건의 열 사이클 시험을 거쳐도 크랙이 잘 발생하지 않는 세라믹스-금속 복합체 (세라믹스층과 금속층을 구비하는 기판) 를 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 예의 검토한 결과, 이하에 제공되는 발명을 완성시켜, 상기 과제를 해결하였다.

본 발명은 이하와 같다.

1.

세라믹스층과, 구리층과, 상기 세라믹스층과 상기 구리층 사이에 존재하는 납재층을 구비한, 평판상의 세라믹스-구리 복합체로서,

당해 세라믹스-구리 복합체를, 그 주면에 수직인 면에서 절단했을 때의 절단면에 있어서의, 장변 방향의 길이 1700 ㎛ 의 영역을 영역 P 로 했을 때,

상기 영역 P 에 있어서의, 상기 세라믹스층과 상기 납재층의 계면으로부터 상기 구리층측으로 50 ㎛ 이내의 영역 P1 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정의 평균 결정 입경 D1 이, 30 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인, 세라믹스-구리 복합체.

2.

1. 에 기재된 세라믹스-구리 복합체로서,

상기 영역 P 전체에 있어서의 구리 결정의 평균 결정 입경을 D2 로 했을 때,

D2/D1 의 값이 0.5 이상 2.0 이하인, 세라믹스-구리 복합체.

3.

1. 또는 2. 에 기재된 세라믹스-구리 복합체로서,

상기 영역 P1 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정 중에는, 입경 350 ㎛ 를 초과하는 결정이 포함되지 않는, 세라믹스-구리 복합체.

4.

1. 내지 3. 중 어느 하나에 기재된 세라믹스-구리 복합체로서,

상기 절단면에 있어서, 상기 영역 P 와는 상이한, 장변 방향의 길이 1700 ㎛ 의 영역을 영역 P' 로 했을 때,

상기 영역 P' 에 있어서의, 상기 세라믹스층과 상기 납재층의 계면으로부터 상기 구리층측으로 50 ㎛ 이내의 영역 P1' 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정의 평균 결정 입경 D1' 가, 30 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인, 세라믹스-구리 복합체.

5.

4. 에 기재된 세라믹스-구리 복합체로서,

상기 영역 P1' 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정 중에는, 입경 350 ㎛ 를 초과하는 결정이 포함되지 않는, 세라믹스-구리 복합체.

6.

1. 내지 5. 중 어느 하나에 기재된 세라믹스-구리 복합체로서,

상기 구리층은 압연 구리판에 의해 구성되는, 세라믹스-구리 복합체.

7.

1. 내지 6. 중 어느 하나에 기재된 세라믹스-구리 복합체로서,

상기 납재층이, Ag, Cu 및 Ti 와, Sn 및/또는 In 을 포함하는, 세라믹스-구리 복합체.

8.

1. 내지 7. 중 어느 하나에 기재된 세라믹스-구리 복합체의 제조 방법으로서,

진공 하 또는 불활성 가스 분위기 하에서, 770 ℃ 이상 830 ℃ 이하의 온도에서의 10 분 이상 60 분 이하의 가열에 의해, 세라믹스판과 구리판을, 납재로 접합하는 접합 공정을 포함하고,

상기 납재는, Ag 가 85.0 질량부 이상 95.0 질량부 이하, Cu 가 5.0 질량부 이상 13.0 질량부 이하, Ti 가 1.5 질량부 이상 5.0 질량부 이하, Sn 및 In 의 합계량이 0.4 질량부 이상 3.5 질량부 이하로 이루어지는, 세라믹스-구리 복합체의 제조 방법.

9.

1. 내지 7. 중 어느 하나에 기재된 세라믹스-구리 복합체의, 적어도 상기 구리층의 일부가 제거되어 회로가 형성된, 세라믹스 회로 기판.

10.

9. 의 세라믹스 회로 기판이 탑재된 파워 모듈.

본 발명에 의하면, 엄격한 조건의 열 사이클 시험을 거쳐도 크랙이 잘 발생하지 않는 세라믹스-금속 복합체 (세라믹스층과 금속층을 구비하는 기판) 를 제공할 수 있다.

상기 서술한 목적, 및 그 밖의 목적, 특징 및 이점은, 이하에 서술하는 바람직한 실시형태, 및 그것에 부수되는 이하의 도면에 의해 더욱 명확해진다.
도 1 은, 본 실시형태의 세라믹스-구리 복합체를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 1(A) 는, 세라믹스-구리 복합체 전체를 모식적으로 나타낸 도면이고, 도 1(B) 는, 그 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2 는, 본 실시형태의 세라믹스-구리 복합체에 있어서의 「영역 P1 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정」에 대해 설명하기 위한 보충도이다.
도 3 은, 구리 결정의 입자의 입경을 구하는 방법을 설명하기 위한 보충도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해, 도면을 참조하면서, 상세하게 설명한다.

모든 도면에 있어서, 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 적절히 설명을 생략한다.

번잡함을 피하기 위해, (i) 동일 도면 중에 동일한 구성 요소가 복수 있는 경우에는, 그 1 개에만 부호를 부여하고, 전부에는 부호를 부여하지 않는 경우나, (ii) 특히 도 2 이후에 있어서, 도 1 과 동일한 구성 요소에 다시 부호를 부여하지 않는 경우가 있다.

모든 도면은 어디까지나 설명용의 것이다. 도면 중의 각 부의 형상이나 치수비 등은, 반드시 현실의 물품과 대응하는 것은 아니다. 특히, 도면에 나타나 있는 각 부의 종횡의 치수는, 세로 방향 또는 가로 방향으로 과장되어 있는 경우가 있다.

본 명세서 중, 「대략」이라는 용어는, 특별히 명시적인 설명이 없는 한, 제조상의 공차나 조립 상의 편차 등을 고려한 범위를 포함하는 것을 나타낸다.

이하에서는, 세라믹스-구리 복합체를, 간단히 「복합체」라고도 표기한다.

＜세라믹스-구리 복합체 (복합체)＞

도 1(A) 는, 본 실시형태의 세라믹스-구리 복합체 (복합체) 를 모식적으로 나타낸 도면이다.

복합체는, 평판상이다.

복합체는, 적어도, 세라믹스층 (1) 과, 구리층 (2) 과, 그것들 2 층 사이에 존재하는 납재층 (3) 을 구비한다. 다른 표현으로는, 세라믹스층 (1) 과 구리층 (2) 은, 납재층 (3) 에 의해 접합되어 있다.

도 1(B) 는, 도 1(A) 에 나타난 세라믹스-구리 복합체를, 그 주면에 수직인 면 α 에서 절단했을 때의 절단면을 모식적으로 나타낸 도면이다 (설명용으로 보조선 등을 가필 (加筆) 하고 있다).

절단면 α 는, 예를 들어, 평판상의 복합체의 무게 중심을 통과하도록 설정할 수 있다.

도 1(B) 에 나타난 절단면에 있어서, 장변 방향의 길이 1700 ㎛ 의 영역을 영역 P 로 한다. 영역 P 는, 절단면의 임의의 장소에서 설정할 수 있지만, 예를 들어, 절단 전의 복합체의 무게 중심을 포함하는 장소에서 설정할 수 있다.

또, 영역 P 에 있어서, 세라믹스층 (1) 과 납재층 (3) 사이의 계면을 기준으로 하여, 그 계면으로부터 구리층 (2) 의 측으로 50 ㎛ 이내의 영역을, 영역 P1 로 한다.

이 때, 영역 P1 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정의 평균 결정 입경 D1 은, 30 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하, 바람직하게는 30 ㎛ 이상 90 ㎛ 이하, 보다 바람직하게는 30 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하이다.

이와 같은 복합체에 의해, 엄격한 조건의 열 사이클 시험 후여도 크랙 발생이 억제되는 이유에 대해서는, 이하와 같이 설명할 수 있다. 만약을 위해 서술해 두면, 이하 설명은 추측을 포함하고, 또, 이하 설명에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 실시형태의 복합체에 있어서 「영역 P1 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정의 평균 결정 입경 D1 이, 30 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하」라는 것은, 세라믹스층 (1) 의 근방에 위치하는 구리 결정의 평균 결정 입경이, 비교적 작은 것을 의미한다.

전술한 바와 같이, 세라믹스 재료와 금속판의 접합 계면에서는, 열팽창률의 차에서 기인하는 응력이 발생한다. 그러나, 본 실시형태의 복합체와 같이, 구리층 (2) 에 있어서의 세라믹스층 (1) 근방의 구리 결정의 평균 결정 입경이 비교적 작으면, 그 응력을 「입계 미끄럼」에 의해 완화·저감시킬 수 있다.

이 때문에, 엄격한 조건의 열 사이클 시험을 거쳐도 크랙이 잘 발생하지 않게 되어 있는 것으로 생각된다.

본 실시형태의 복합체에 있어서 평균 결정 입경 D1 을 30 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하로 하기 위해서는, 복합체의 제조에 있어서 적절한 소재/재료를 선택하고, 또, 제조 조건을 적절히 조정하는 것이 중요하다. 특히 본 실시형태에 있어서는, 구리층 (2) 을 구성하기 위한 재료의 선택이 중요하다. 구체적으로는 이후에 설명한다.

본 발명자들의 지견에 의하면, 적절한 구리 재료를 선택하지 않으면, 평균 결정 입경 D1 을 30 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하로 하는 것은 어렵다.

여기서, 만약을 위해, 「영역 P1 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정」에 대해 보충해 둔다.

도 2 는, 영역 P 의 일부를 확대하고, 또한, 영역 P 에 포함되는 구리의 결정립계를 나타낸 모식적인 도면이다. 도 2 의 가장 아래에 그어져 있는 실선 l₁ 이, 세라믹스층 (1) 과 납재층 (3) 사이의 계면이다. 그리고, 그 실선 l₁ 로부터 상측으로 50 ㎛ 이내의 영역 (실선 l₁ 과 l₂ 사이에 끼워진 영역) 이, 영역 P1 이다.

도 2 에 있어서, 예를 들어 「*」표시가 부여된 구리 결정에 대해서는, 그 일부는 영역 P1 에 포함되고, 그 일부는 영역 P1 에 포함되지 않는다.

본 실시형태에 있어서는, 영역 P1 내에 전부가 위치하는 (영역 P1 밖으로 비어져 나와 있지 않은) 구리 결정에 더하여, 「*」표시가 부여된 구리 결정 즉 「영역 P1 에 일부 (전부는 아님) 가 존재하는 구리 결정」도, 입경의 측정 대상에 포함시킨다. 그리고, 그 측정 결과에 기초하여, 평균 결정 입경 D1 을 산출한다.

만약을 위해 서술해 두면, 도 2 에는, 「*」표시가 부여된 구리 결정 이외에도, 「영역 P1 에 일부가 존재하는 구리 결정」이 다수 나타나 있다. 즉, 직선 l₂ 가 통과하고 있는 구리 결정의 전부는, 기본적으로는 평균 결정 입경 D1 을 산출할 때의 입경 측정의 대상이 된다.

본 실시형태의 복합체에 대해 설명을 계속한다.

[영역 P1 중의 구리 결정의 입경에 관한 추가 정보]

전술한 바와 같이, 영역 P1 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정의 「평균 결정 입경 D1」이 30 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하임으로써 크랙 등을 저감시킬 수 있다.

이와 같이 「평균 결정 입경」이 적당히 작을 뿐만 아니라, 영역 P1 에 조대한 구리 결정이 포함되지 않는 것에 의해, 크랙 저감 효과를 한층 높일 수 있다.

구체적으로는, 영역 P1 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정 중에는, 바람직하게는 입경 350 ㎛ 를 초과하는 결정이 포함되지 않고, 보다 바람직하게는 입경 300 ㎛ 를 초과하는 결정이 포함되지 않는다.

이와 같이 조대한 구리 입자가 포함되지 않는 것에 의해, 입계 미끄럼이 어려워 응력 완화되기 어려운 부분이 감소한다. 따라서, 한층, 엄격한 조건의 열 사이클 시험을 거쳐도 크랙이 잘 발생하지 않게 되는 것으로 생각된다.

만약을 위해 언급해 두면, 응력 저감의 관점에서는, 기본적으로는, 영역 P 내 또는 영역 P1 내에 있는 구리 결정의 입경은, 작을수록 좋은 경향이 있다.

영역 P 내 또는 영역 P1 내에 있는 구리 결정의 입경의 하한치는, 예를 들어 5 ㎛ 정도이다. 다른 표현으로는, 후술하는 EBSD 법에 의한 측정 한계와 동일한 정도나 그 이하의 작은 입경의 구리 결정이, 영역 P 내 또는 영역 P1 내에 포함되어 있는 것이 바람직하다.

[영역 P 중의 구리 결정의 입경 등]

영역 P1 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정의 평균 결정 입경 D1 이 적절한 수치인 것에 더하여, 영역 P 전체에 있어서의 구리 결정의 평균 결정 입경 D2 에 대해서도 적절한 수치인 것이 바람직하다.

예를 들어, 영역 P 전체에 있어서의 구리 결정의 평균 결정 입경 (즉, 영역 P 중에 포함되는 모든 구리 결정을 대상으로 했을 때의 평균 결정 입경) 을 D2 로 했을 때, D2/D1 의 값은, 바람직하게는 0.5 이상 2.0 이하, 보다 바람직하게는 1.0 이상 1.5 이하이다.

D2/D1 의 값이 상기 수치 범위인 것은, 영역 P 에 포함되는 구리 결정의 평균 결정 입경과, 영역 P1 중에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정의 평균 결정 입경이 동일한 정도인 것을 의미한다. 바꾸어 말하면, 구리층 (2) 전체적으로 「평균 결정 입경에 편향이 없다」라고 할 수 있다. 이로써, 구리층 (2) 전체적으로 응력을 균일하게 흡수하기 쉬워져, 크랙의 가일층의 저감이 도모되는 것으로 생각된다. 덧붙여서, 상세한 것은 불명확하지만, D2/D1 의 값이 1.0 이상 1.5 이하 (요컨대, D2 와 D1 이 거의 동등하거나, D2 의 쪽이 약간 크다) 이면, 히트 사이클 특성이 한층 양화되는 경향이 있다.

참고로, D2 자체의 값은, 예를 들어 D1 과 동일한 정도일 수 있지만, 바람직하게는 15 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하, 보다 바람직하게는 30 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하이다.

[입경이 비교적 작은 구리 입자가 ‘연속적' 으로 존재하는 것]

구리층 (2) 에 있어서는, 영역 P1 과 같은, 세라믹스층 (1) 근방에 있는 구리 결정의 평균 결정 입경이 비교적 작은 영역이, 국소적은 아니고 ‘연속적' 으로 존재하는 것이 바람직하다. 다른 표현으로서, 세라믹스층 (1) 과 구리층 (2) 의 접합면 근방의 임의의 지점에 있어서, 구리 결정의 평균 결정 입경이 비교적 작은 것이 바람직하다.

이로써, 기판 전체적으로 충분히 응력이 저감되어, 크랙 저감 효과를 한층 현저하게 얻을 수 있다.

또, 구리층 (2) 에 있어서의 세라믹스층 (1) 근방의 구리 결정의 평균 결정 입경이 비교적 작다는 것은, 구리층 (2) 에 있어서의 세라믹스층 (1) 근방에는, 구리의 입계가 비교적 많이 존재하고 있는 것을 의미한다. 그리고, 그 비교적 많은 입계에 납재가 확산됨으로써, 세라믹스층 (1)-구리층 (2) 간의 접합력이 보다 강해지는 것으로 생각된다.

구체적으로는, 도 1(B) 에 나타나는 절단면에 있어서, 영역 P 와는 상이한 (영역 P 와 겹치지 않는) 영역으로서, 장변 방향의 길이 1700 ㎛ 의 영역을 설정하고, 그 영역을 영역 P' 로 했을 때, 영역 P' 에 있어서의, 세라믹스층 (1) 과 납재층 (3) 의 계면으로부터 구리층 (2) 측으로 50 ㎛ 이내의 영역 P1' 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정의 평균 결정 입경 D1' 는, 바람직하게는 30 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하, 보다 바람직하게는 30 ㎛ 이상 90 ㎛ 이하, 보다 바람직하게는 30 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하이다.

추가로, 영역 P1' 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정 중에는, 바람직하게는 입경 350 ㎛ 를 초과하는 결정이 포함되지 않고, 보다 바람직하게는 입경 300 ㎛ 를 초과하는 결정이 포함되지 않는다.

[세라믹스층 (1) 의 재질]

세라믹스층 (1) 의 재질은, 세라믹스 재료인 한 특별히 한정되지 않는다.

예를 들어, 질화규소, 질화알루미늄 등의 질화물계 세라믹스, 산화알루미늄, 산화지르코늄 등의 산화물계 세라믹스, 탄화규소 등의 탄화물계 세라믹스, 붕화란탄 등의 붕화물계 세라믹스 등일 수 있다.

구리층 (2) 과의 접합 강도의 점에서는, 질화알루미늄, 질화규소 등의 비산화물계 세라믹스가 바람직하다. 또한, 우수한 기계 강도, 파괴 인성의 관점에서, 질화규소가 바람직하다.

[구리층 (2) 을 구성하기 위한 재료]

본 실시형태의 복합체를 제조하는 데에 있어서, 특히, 구리층 (2) 을 구성하기 위한 재료의 선택은 중요하다. 구리층 (2) 을 형성하기 위한 재료를 적절히 선택함으로써, 원하는 D1, D2, D1' 를 갖는 복합체를 제조할 수 있다. 재료의 선택이 부적절하면, 원하는 D1 등을 갖는 복합체를 제조하는 것은 어렵다.

구체적으로는, 구리층 (2) 을 구성하기 위한 재료로서, 미츠비시 신동 주식회사가 제조하고 있는, 무산소동판 OFCG 재 (OFCG : Oxygen-Free Copper Grain control 의 약칭) 를 사용함으로써, 원하는 D1 등을 갖는 복합체를 제조할 수 있다.

본 발명자들의 지견에 의하면, 통상적인 무산소동판 (OFC 재) 을 사용한 경우, 세라믹스판과 구리판을 납재로 접합할 때의 가열 (800 ℃ 정도) 에 의해, 구리판 중의 구리 결정이 「성장」하여, 구리 결정이 조대화되어 버린다 (요컨대, D1 이 100 ㎛ 초과로 되어 버린다).

한편, 상세한 메커니즘은 불명확하지만, 상기 무산소동판 OFCG 재는, 납재 접합시의 가열에 의한 구리 결정의 성장을 억제하는 어떠한 연구가 이루어져 있고, 따라서 구리 결정의 성장이 억제된다. 그 결과, D1 이 30 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하 등인 복합체를 얻을 수 있다.

덧붙여서, 납재 접합시의 가열에 의한 구리 결정의 성장을 억제하는 「연구」에 대해서는 여러 가지 생각된다. 하나는, 구리층 (2) 의 재료로서 압연 구리판 (큰 압력으로 압연된 OFC 재) 을 사용하는 것이 생각된다.

본 발명자들의 추측으로서, 압연 구리판 중의 구리 결정은, 압연의 결과로서, 변형되거나 결정 방위가 바뀌거나 하고 있고, 이러한 것이 결정 성장의 억제로 이어지고 있는 것으로 추측된다.

참고로, 상기한 미츠비시 신동 주식회사의 무산소동판 OFCG 재는, 제조원에서 말하기를, 압연 공정을 포함하는 공정에 의해 제조되어 있다.

[납재층 (3) 을 형성하기 위한 납재]

내열 사이클 특성을 보다 양호하게 하는 관점 등에서, 납재층 (3) 은, 바람직하게는, Ag, Cu 및 Ti, Sn 및/또는 In 으로 이루어지는 납재에 의해 구성된다. 적절한 조성의 납재를 사용하는 것은, D1, D2, D1' 등의 수치의 컨트롤의 관점에서도 중요하다.

납재의 배합에 있어서의 Ag/Cu 비는, Ag 와 Cu 의 공정 조성인 72 질량％ : 28 질량％ 보다 Ag 분말의 배합비를 높임으로써, Cu 리치상의 조대화를 방지하고, Ag 리치상이 연속한 납재층 조직을 형성할 수 있다.

또, Ag 분말의 배합량이 많고 Cu 분말의 배합량이 적으면, 접합시에 Ag 분말이 완전히 용해되지 않고 접합 보이드로서 남는 경우가 있다. 따라서, Ag 분말과, Cu 분말, Sn 분말 또는 In 분말의 배합비는, Ag 분말 : 85.0 질량부 이상 95.0 질량부 이하, Cu 분말 : 5.0 질량부 이상 13.0 질량부 이하, Sn 분말 또는 In 분말 : 0.4 질량부 이상 3.5 질량부 이하로 이루어지는 것을 바람직하게 들 수 있다.

상기한 Ag 분말로는, 비표면적이 0.1 ㎡/g 이상 0.5 ㎡/g 이하인 Ag 분말을 사용하면 된다. 적당한 비표면적의 Ag 분말을 사용함으로써, 분말의 응집, 접합 불량, 접합 보이드의 형성 등을 충분히 억제할 수 있다. 또한, 비표면적의 측정에는 가스 흡착법을 적용할 수 있다.

Ag 분말의 제법은, 아토마이즈법이나 습식 환원법 등에 의해 제작된 것이 일반적이다.

상기한 Cu 분말로는, Ag 리치상을 연속화시키기 위해서, 비표면적 0.1 ㎡/g 이상 1.0 ㎡/g 이하, 또한, 레이저 회절법에 의해 측정한 체적 기준의 입도 분포에 있어서의 메디안 직경 D50 이 0.8 ㎛ 이상 8.0 ㎛ 이하인 Cu 분말을 사용하면 된다. 비표면적이나 입경이 적당한 Cu 분말을 사용함으로써, 접합 불량의 억제나, Ag 리치상이 Cu 리치상에 의해 불연속화하는 것의 억제 등을 도모할 수 있다.

상기한 납재 분말 중에 함유하는 Sn 또는 In 은, 세라믹스판에 대한 납재의 접촉각을 작게 하고, 납재의 젖음성을 개선하기 위한 성분이다. 이들 배합량은 바람직하게는 0.4 질량부 이상 3.5 질량부 이하이다.

배합량을 적절히 조정함으로써, 세라믹스판에 대한 젖음성을 적절하게 하여, 접합 불량의 가능성을 저감시킬 수 있다. 또, 납재층 (3) 중의 Ag 리치상이 Cu 리치상에 의해 불연속화하고, 납재가 균열되는 기점이 되어, 열 사이클 특성 저하의 가능성을 저감시킬 수 있다.

상기한 Sn 분말 또는 In 분말로는, 비표면적이 0.1 ㎡/g 이상 1.0 ㎡/g 이하, 또한, D50 이 0.8 ㎛ 이상 10.0 ㎛ 이하인 분말을 사용하면 된다.

비표면적이나 입경이 적당한 분말을 사용함으로써, 접합 불량의 가능성이나 접합 보이드 발생의 가능성을 저감시킬 수 있다.

납재는, 질화알루미늄 기판이나 질화규소 기판과의 반응성을 높이는 등의 관점에서, 활성 금속을 포함하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 질화알루미늄 기판이나, 질화규소 기판과의 반응성이 높고, 접합 강도를 매우 높게 할 수 있기 때문에, 티탄을 포함하는 것이 바람직하다.

티탄 등의 활성 금속의 첨가량은, Ag 분말과, Cu 분말과, Sn 분말 또는 In 분말의 합계 100 질량부에 대해, 1.5 질량부 이상 5.0 질량부 이하가 바람직하다. 활성 금속의 첨가량을 적절히 조정함으로써, 세라믹스판에 대한 젖음성을 한층 높일 수 있어, 접합 불량의 발생을 한층 억제할 수 있다. 또, 미반응의 활성 금속의 잔존이 억제되어, Ag 리치상의 불연속화 등도 억제할 수 있다.

납재는, 적어도 상기 서술한 금속 분말과, 필요에 따라 유기 용제나 바인더를 혼합함으로써 얻을 수 있다. 혼합에는, 뢰궤기, 자전 공전 믹서, 플래너터리 믹서, 3 본 롤 등을 사용할 수 있다. 이로써, 예를 들어 페이스트상의 납재를 얻을 수 있다.

여기서 사용 가능한 유기 용제는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 메틸셀로솔브, 에틸셀로솔브, 이소포론, 톨루엔, 아세트산에틸, 테르피네올, 디에틸렌글리콜·모노부틸에테르, 텍사놀 등을 들 수 있다.

여기서 사용 가능한 바인더는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 폴리이소부틸메타크릴레이트, 에틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 아크릴 수지, 메타크릴 수지 등의 고분자 화합물을 들 수 있다.

[각 층의 두께 (평균 두께)]

세라믹스층 (1) 의 두께는, 전형적으로는 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하이다. 기판 전체의 방열 특성이나 열저항률 저감 등을 감안하면, 바람직하게는 0.2 ㎜ 이상 1.2 ㎜ 이하, 보다 바람직하게는 0.25 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하이다.

구리층 (2) 의 두께는, 전형적으로는 0.1 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하이다. 방열성 등의 관점에서, 바람직하게는 0.3 ㎜ 이상, 보다 바람직하게는 0.5 ㎜ 이상이다.

납재층 (3) 의 두께는, 세라믹스층 (1) 과 구리층 (2) 을 접합 가능한 한 특별히 한정되지 않는다. 전형적으로는 3 ㎛ 이상 40 ㎛ 이하, 바람직하게는 4 ㎛ 이상 25 ㎛ 이하, 보다 바람직하게는 5 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하이다.

[추가의 층 등]

본 실시형태의 복합체는, 상기 서술한 3 층 이외의 추가의 층을 구비하고 있어도 된다.

예를 들어, 본 실시형태의 복합체는, 세라믹스층 (1) 을 중심층으로 하여, 그 양면에, 납재층 (3) 을 개재하여 구리층 (2) 을 구비하는 5 층 구성이어도 된다.

상기와 같은 5 층 구성의 경우, 세라믹스층 (1) 의 적어도 편면측에 있어서, D1, D2/D1, D1' 등이 상기 서술한 수치 범위에 있는 것이 바람직하다.

단, 가일층의 크랙 저감이나, 복합체 전체적으로의 응력 발생, 변형이나 휨 등의 저감의 점에서는, 세라믹스층 (1) 의 양면에 있어서, D1, D2/D1, D1' 등이 상기 서술한 수치 범위에 있는 것이 보다 바람직하다.

즉, 상기 5 층 구성의 복합체에 있어서, 세라믹스층 (1) 과 납재층 (3) 의 계면은 「2 개」존재하는 바,

(i) 2 개의 계면 중 일방의 계면 (제 1 계면) 으로부터, 그 제 1 계면에 가까운 쪽의 구리층 (2) 의 측에 영역 P1 을 설정하고,

(ii) 또, 2 개의 계면 중 타방의 계면 (제 2 계면) 으로부터, 그 제 2 계면에 가까운 쪽의 구리층 (2) 의 측에, 다른 영역 P1 을 설정하고,

그리고, 이들 2 개의 영역 P1 의 양방에 있어서, D1, D2/D1, D1' 등이 상기 서술한 수치 범위에 있는 것이 보다 바람직하다.

[복합체의 형상, 크기 등]

전술한 바와 같이, 본 실시형태의 복합체는, 평판상이다.

전형적으로는, 본 실시형태의 복합체는, 10 ㎜ × 10 ㎜ 내지 200 ㎜ × 200 ㎜ 정도의 크기의 대략 사각형상이다.

만약을 위해 서술해 두면, 본 실시형태의 복합체는, 전형적으로는, 전술한 「길이 1700 ㎛ 의 영역 P」나 「길이 1700 ㎛ 의 영역 P'」를 정의할 수 있을 정도의 크기를 갖는다.

[복합체의 절단, 구리 결정의 측정/계측/해석 등에 대해서]

본 실시형태의 복합체의 「단면」의 구리 결정의 입경의 측정 방법 등에 대해서 설명해 둔다.

먼저, 예를 들어 이하와 같이 하여, 구리 결정의 입경을 측정하기 위한 「단면」을 얻는다.

(1) 복합체 (또는 후술하는 세라믹스 회로 기판) 를, 주면에 수직이고, 또한, 복합체의 무게 중심을 통과하는 단면에서, 윤곽 머신으로 절단하고, 복합체 단면을 노출시킨다.

(2) 절단한 복합체를 수지 포매하고, 수지 포매체를 제조한다.

(3) 제조한 수지 포매체 내의 복합체 단면을, 다이아몬드 지립을 사용하여 버프 연마한다.

그리고, 상기한 연마된 복합체 단면에 대해, 전자 후방 산란 회절법에 의해, 구리 결정의 입자/입계/결정 방위 등에 관한 데이터를 취득하고, 그 데이터를 해석함으로써, D1, D2, D1' 등을 구할 수 있다.

(전자 후방 산란 회절법은, Electron Back Scattering Diffraction 의 머리 글자를 취하여, EBSD 법이라고도 불린다)

본 명세서에 있어서, 구리 결정의 입자 하나 하나의 입경 (D1 나 D2 등의 「평균」입자경을 산출하는 근본이 되는 각 입자의 입경) 은, 이하와 같이 하여 구해지는 것으로 한다. 이것에 대해서는 도 3 도 참조하고자 한다.

(1) 상기한 단면에 보이는 입자 1 개 (입자 A 라고 한다) 의 기하학적 무게 중심을 통과하는 직선 L 을 한 줄 긋는다. 이 직선이 입자 A 의 입계와 교차하는 2 점 사이의 거리 d₁ 을 계측한다.

(2) 직선 L 을, 입자 A 의 기하학적 무게 중심을 중심으로 하여 2° 회전시킨다. 이 회전시킨 직선이 입자 A 의 입계와 교차하는 2 점 사이의 거리 d₂ 를 계측한다.

(3) 상기 (2) 의 조작을, 직선 L 이 180° 회전할 때까지 반복하고, 직선이 입자 A 의 입계와 교차하는 2 점 사이의 거리 d₃, d₄ ··· 를 계측한다.

(4) 얻어진 d₁, d₂, d₃, d₄ ··· 의 평균을, 입자 A 의 입경으로 한다.

[복합체의 제조 방법, 회로의 형성]

본 실시형태의 복합체는, 예를 들어, 이하 공정에 의해 제조할 수 있다.

(1) 납재 페이스트를 세라믹스판의 편면 또는 양면에 도포하고, 그 도포면에 구리판을 접촉시킨다.

(2) 진공 중 혹은 불활성 분위기 중에서 가열 처리를 함으로써, 세라믹스판과 구리판을 접합한다.

상기 (1) 에서 납재 페이스트를 세라믹스판에 도포하는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 롤 코터법, 스크린 인쇄법, 전사법 등을 들 수 있다. 균일하게 도포하기 쉽다는 점에서, 스크린 인쇄법이 바람직하다.

스크린 인쇄법으로 납재 페이스트를 균일하게 도포하기 위해서는, 납재 페이스트의 점도를 5 Pa·s 이상 20 Pa·s 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 또, 납재 페이스트 중의 유기 용제량을 5 질량％ 이상 17 질량％ 이하, 바인더량을 2 질량％ 이상 8 질량％ 이하로 조정함으로써, 인쇄성을 높일 수 있다.

상기 (2) 의 세라믹스판과 구리판의 접합에 대해서는, 진공 중 또는 질소, 아르곤 등의 불활성 분위기 중, 770 ℃ 이상 830 ℃ 이하의 온도에서, 10 분 이상 60 분의 시간에서의 처리가 바람직하다.

온도를 770 ℃ 이상으로 하고, 또한/또는, 처리 시간을 10 분 이상으로 함으로써, 구리판으로부터의 구리의 용해량이 충분히 많아져, 세라믹스판과 구리판의 접합성을 충분히 강고하게 할 수 있다.

한편, 온도를 830 ℃ 이하로 하고, 또한/또는, 처리 시간을 60 분 이하로 함으로써, 납재층 중의 Ag 리치상의 연속성이 담보되기 쉬워지고, 구리판 중으로의 과도한 납재의 확산이 억제되고, 구리의 재결정화에 의한 구리 결정의 조대화가 억제되고, 세라믹스와 구리의 열팽창률차에서 유래하는 응력을 저감시킬 수 있는, 등의 장점을 얻을 수 있다.

상기 (1) 및 (2) 와 같은 공정에 의해, 본 실시형태의 복합체 (세라믹스층 (1) 과, 구리층 (2) 과, 그것들 2 층 사이에 존재하는 납재층 (3) 을 구비한다) 를 얻을 수 있다.

＜세라믹 회로 기판＞

얻어진 복합체를 추가로 처리/가공해도 된다.

예를 들어, 복합체의, 적어도 구리층 (2) 의 일부를 제거하여 회로를 형성해도 된다. 보다 구체적으로는, 구리층 (2) 이나 납재층 (3) 의 일부를, 에칭에 의해 제거함으로써 회로 패턴을 형성해도 된다. 이로써, 세라믹스 회로 기판을 얻을 수 있다.

복합체에 회로 패턴을 형성하여 세라믹스 회로 기판을 얻는 순서에 대해, 이하에 설명한다.

·에칭 마스크의 형성

먼저, 구리층 (2) 의 표면에, 에칭 마스크를 형성한다.

에칭 마스크를 형성하는 방법으로서, 사진 현상법 (포토레지스트법) 이나 스크린 인쇄법, 고오 화학사 제조 PER400K 잉크를 사용한 잉크젯 인쇄법 등, 공지 기술을 적절히 채용할 수 있다.

·구리층 (2) 의 에칭 처리

회로 패턴을 형성하기 위해, 구리층 (2) 의 에칭 처리를 실시한다.

에칭액에 관해서 특별히 제한은 없다. 일반적으로 사용되고 있는 염화 제2철 용액, 염화 제2구리 용액, 황산, 과산화수소수 등을 사용할 수 있다. 바람직한 것으로는, 염화 제2철 용액이나 염화 제2구리 용액을 들 수 있다. 에칭 시간을 조정함으로써, 구리 회로의 측면을 경사시켜도 된다.

·납재층 (3) 의 에칭 처리

에칭에 의해 구리층 (2) 의 일부를 제거한 복합체에는, 도포한 납재, 그 합금층, 질화물층 등이 남아 있다. 따라서, 할로겐화암모늄 수용액, 황산, 질산 등의 무기산, 과산화수소수를 포함하는 용액을 사용하여, 그것들을 제거하는 것이 일반적이다. 에칭 시간이나 온도, 스프레이압 등의 조건을 조정함으로써, 납재 비어져 나옴부의 길이 및 두께를 조정할 수 있다.

·에칭 마스크의 박리

에칭 처리 후의 에칭 마스크의 박리 방법은, 특별히 한정되지 않는다. 알칼리 수용액에 침지시키는 방법 등이 일반적이다.

·도금/방청 처리

내구성의 향상이나 시간 경과적 변화의 억제 등의 관점에서, 도금 처리 또는 방청 처리를 실시해도 된다.

도금으로는, Ni 도금, Ni 합금 도금, Au 도금 등을 들 수 있다. 도금 처리의 구체적 방법은, (i) 탈지, 화학 연마, Pd 활성화의 약액에 의한 전처리 공정을 거쳐, Ni-P 무전해 도금액으로서 하이포아인산염을 함유하는 약액을 사용하는 통상적인 무전해 도금의 방법, (ii) 전극을 구리 회로 패턴에 접촉시켜 전기 도금을 실시하는 방법 등에 의해 실시할 수 있다.

방청 처리는, 예를 들어 벤조트리아졸계 화합물에 의해 실시할 수 있다.

＜파워 모듈＞

예를 들어 상기와 같이 하여 구리 회로가 형성된 세라믹스 회로 기판의, 그 구리 회로 상에 적당한 반도체 소자를 배치한다. 이와 같이 하여, 세라믹스 회로 기판이 탑재된 파워 모듈을 얻을 수 있다.

파워 모듈의 구체적 구성이나 상세한 것에 대해서는, 예를 들어, 전술한 특허문헌 1 내지 3 의 기재나, 일본 공개특허공보 평10-223809호의 기재, 일본 공개특허공보 평10-214915호의 기재 등을 참조하고자 한다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해 서술했지만, 이것들은 본 발명의 예시이며, 상기 이외의 여러 가지 구성을 채용할 수 있다. 또, 본 발명은 상기 서술한 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위에서의 변형, 개량 등은 본 발명에 포함된다.

실시예

본 발명의 실시양태를, 실시예 및 비교예에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은 실시예에 한정되는 것은 아니다.

＜세라믹스-구리 복합체의 제작＞

[실시예 1]

납재 (활성 금속을 포함한다) 로서, Ag 분말 (후쿠다 금속 박분 공업 주식회사 제조 : Ag-HWQ 2.5 ㎛) 89.5 질량부, Cu 분말 (후쿠다 금속 박분 공업 주식회사 제조 : Cu-HWQ 3 ㎛) 9.5 질량부, Sn 분말 (후쿠다 금속 박분 공업 주식회사 제조 : Sn-HPN 3 ㎛) 1.0 질량부의 합계 100 질량부에 대해, 수소화티탄 분말 (토호테크 주식회사 제조 : TCH-100) 을 3.5 질량부 포함하는 납재를 준비하였다.

상기 납재와, 바인더 수지 PIBMA (폴리이소부틸메타크릴레이트, 미츠비시 케미컬 주식회사 「다이아날」) 와, 용제 터피네올을 혼합하고, 납재 페이스트를 얻었다.

이 납재 페이스트를, 질화규소 기판의 양면에, 각 면에서의 건조 두께가 약 10 ㎛ 가 되도록, 스크린 인쇄법으로 도포하였다. 질화규소 기판으로서는, 덴카 주식회사 제조의, 두께 0.32 ㎜, 세로 45 ㎜ × 가로 45 ㎜ 의 크기의 것을 사용하였다.

그 후, 질화규소 기판의 양면에 구리판 (구체적으로는 이후에 게재하는 표 1 에 나타낸다) 을 중첩하고, 1.0 × 10^-3 Pa 이하의 진공 중에서 780 ℃, 30 분의 조건에서 가열하고, 질화규소 기판과 구리판을 납재로 접합하였다. 이로써, 질화규소 기판과 구리판이 납재로 접합된 세라믹스-구리 복합체를 얻었다.

접합한 구리판에 에칭 레지스트를 인쇄하고, 염화 제2철 용액으로 에칭하여 회로 패턴을 형성하였다. 또한 불화암모늄/과산화수소 용액으로 납재층, 질화물층을 제거하였다. 도금 공정은, 탈지, 화학 연마에 의한 전처리 공정을 거쳐, 벤조트리아졸계 화합물에 의해 방청 처리를 실시하였다.

이상에 의해, 상기한 세라믹스-구리 복합체의 구리층의 일부가 제거되어 회로가 형성된, 세라믹스 회로 기판을 얻었다.

[실시예 2 내지 10, 비교예 1 내지 10]

구리판으로서 표 1 에 기재된 것을 사용하고, 납재의 금속 성분을 이후에 게재하는 표 1 에 기재된 바와 같이 하고, 또, 접합 조건을 이후에 게재하는 표 1 에 기재된 바와 같이 한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 하여, 질화규소 기판과 구리판을 납재로 접합하였다. 그리고, 에칭 처리 등을 실시하고, 세라믹스 회로 기판을 얻었다.

표 1 중, 구리판 1 및 구리판 2 는 이하이다. 어느 구리판 중의 구리 결정의 입경도, 20 ㎛ 정도였다.

·구리판 1 : 미츠비시 신동 주식회사 제조, 무산소동판 OFCG 재 (OFCG : Oxygen-Free Copper Grain control 의 약칭), 두께 0.8 ㎜ 의 압연 구리판

·구리판 2 : 미츠비시 신동 주식회사 제조, 무산소동판 OFC 재 (OFC : Oxygen-Free Copper 의 약칭), 두께 0.8 ㎜

표 1 중, 납재 금속 성분으로서 In 을 포함하는 것에 대해서는, 원료로서 In 분말 (아토마이즈법 특급 시약) 을 사용하였다.

＜세라믹스-구리 복합체의 절단, EBSD 측정, 영역 P 내의 구리 결정의 입경의 산출 등＞

먼저, 이하 순서로, 측정용의 「단면」을 얻었다.

(1) 각 실시예 및 비교예에서 얻어진 세라믹스 회로 기판을, 주면에 수직이고, 또한, 기판의 무게 중심 (세로 45 ㎜ × 가로 45 ㎜ 의 질화규소 기판의 거의 중심) 을 통과하는 단면에서 절단하였다. 절단에는 컨투어 머신을 사용하였다.

(2) 절단한 세라믹스 회로 기판을 수지 포매하고, 수지 포매체를 제조하였다.

(3) 제조한 수지 포매체 내의 복합체 단면을, 다이아몬드 지립을 사용하여 버프 연마하였다.

상기에서 연마된 기판 단면에 대해, 전자 후방 산란 회절법에 의한 측정을 실시하였다.

구체적으로는, 먼저, 상기에서 연마된 기판 단면의 거의 중심 부근에서, 단면의 길이 방향에 1700 ㎜ 의 영역 P 를 설정하였다. 이 영역 P 내의 구리층에 대해, 가속 전압 15 ㎸ 의 조건에서 전자선 후방 산란 회절 (EBSD) 법에 의한 분석을 실시하고, 데이터를 취득하였다. EBSD 법에는, 주식회사 히타치 하이테크놀로지즈 제조의 SU6600 형 전계 방출형 주사 현미경, 및, 주식회사 TSL 솔루션즈 제조의 해석 장치를 사용하였다.

측정 데이터를, 주식회사 TSL 솔루션즈 제조의 소프트웨어 : OIM Data Analysis 7.3.0 에 의해 가시화하여 결정 방위 맵을 작성하였다. 이 결정 방위 맵을, 화상 처리 소프트웨어로 해석함으로써, 영역 P 전체에 있어서의 구리 결정의 평균 결정 입경 D2 를 구하였다.

또, 동일하게 화상 처리 소프트웨어에서의 해석에 의해, 영역 P 내에서, 세라믹스층과 납재층 사이의 계면을 기준으로 하여, 그 계면으로부터 납재층측으로 50 ㎛ 이내인 영역 P1 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정의 평균 결정 입경 D1 도 구하였다.

상기에서, 화상 처리 소프트웨어로는, Media Cybernetics 사 제조의 Image-Pro Plus Shape Stack 버젼 6.3 을 사용하였다. 결정 하나 하나의 입경은, 전술한 바와 같이, 가시화된 입자의 기하학적 무게 중심을 통과하는 직선 L 을 긋거나 하여 구해졌다. 그리고, 얻어진 복수의 입경을 평균하고, D1 또는 D2 를 구하였다 (이것들은 소프트웨어가 자동적으로 처리하여 값을 산출하였다).

또한, 결정 방위 맵의 정보로부터, 영역 P1 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정 중에, 입경 350 ㎛ 를 초과하는 결정이 포함되는지를 판정하였다.

＜영역 P' 내의 구리 결정의 입경 등＞

세라믹스 회로 기판의 단면에 있어서, 영역 P 와는 상이한 (영역 P 와 겹치지 않는) 영역으로서, 단면의 장변 방향의 길이 1700 ㎛ 의 영역 P' 를 설정하였다.

이 영역 P' 에 있어서, 상기와 동일한 측정, 해석 등을 실시하고, 영역 P1' 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정의 평균 결정 입경 D1' 를 구하였다. 이후에 게재하는 표 2 에는, D1' 가 30 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하에 들어가 있는지의 여부를 기재하였다 (D1' 가 30 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하에 「들어가 있는」경우를 ○, 「들어가 있지 않은」경우를 × 로 하였다).

또, 영역 P1' 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정에, 입경 350 ㎛ 를 초과하는 결정이 포함되는지의 여부를 판정하였다.

＜열 사이클 시험, 크랙 평가＞

각 실시예 및 비교예의 세라믹스 회로 기판에 대해, 「-55 ℃ 에서 15 분, 25 ℃ 에서 15 분, 175 ℃ 에서 15 분, 25 ℃ 에서 15 분」을 1 사이클로 하는 열 사이클을 3000 사이클 반복하는, 열 사이클 시험을 실시하였다.

시험 후, 염화철 및 불화암모늄/과산화수소 에칭으로 구리판 및 납재층을 박리하고, 질화규소 기판을 노출시켰다. 그리고, 그 질화규소 기판 전체를 스캐너에 의해 600 dpi × 600 dpi 의 해상도로 취입하고, 화상 해석 소프트 GIMP2 (임계값 140) 에서 2 치화하였다. 이 2 치화 데이터에 기초하여, 질화규소 기판의 수평 방향에 들어간 크랙의 면적을 산출하고, 그 값을 제거 전의 구리의 면적으로 나누고, 그리고 100 을 곱하여, 「수평 크랙률」(면적 ％) 을 구하였다.

크랙률이 0.0 내지 2.0 ％ 인 것을 ○ (양호), 그렇지 않았던 것을 × (불량) 로 하였다.

입경 등의 해석 결과나 크랙 평가 결과 등을 정리하여 표 2 에 나타낸다.

표 2 에 나타내는 바와 같이, 구리층의 소재로서 미츠비시 신동 주식회사의 무산소동판 OFCG 재를 사용하거나 하여 제조한 실시예 1 내지 10 의 세라믹스-구리 복합체 (정확하게는, 그 복합체를 에칭하여 얻은 세라믹스 회로 기판) 에 있어서는, 영역 P1 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정의 평균 결정 입경 D1 이 30 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하에 들어가 있었다.

그리고, 엄격한 조건의 열 사이클 시험의 후여도, 수평 크랙의 발생이 억제되어 있었다.

한편, 구리층의 소재로서 미츠비시 신동 주식회사의 무산소동판 OFC 재를 사용하거나 하여 제조한 비교예 1 내지 8 의 세라믹스-구리 복합체 (정확하게는, 그 복합체를 에칭하여 얻은 세라믹스 회로 기판) 에 있어서는, 영역 P1 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정의 평균 결정 입경 D1 은 100 ㎛ 를 초과하고 있었다.

그리고, 열 사이클 시험에 있어서, 실시예 1 내지 10 보다 분명하게 많은 수평 크랙 발생이 확인되었다.

상기로부터, 본 실시형태의 세라믹스-구리 복합체/세라믹스 회로 기판을 얻으려면, 구리층을 구성하는 재료의 선택이 중요하다는 것이 이해된다.

또, 구리층에 있어서의 세라믹스층 근방의 구리 결정의 평균 결정 입경을 비교적 작게 함으로써, (「입계 미끄럼」에 의해) 열 사이클에 의한 응력이 완화·저감되어 수평 크랙 발생이 저감되는 것이 이해된다.

이 출원은, 2018년 11월 22일에 출원된 일본 특허출원 2018-218964호를 기초로 하는 우선권을 주장하고, 그 개시의 전부를 여기에 도입한다.

Claims

세라믹스층과, 구리층과, 상기 세라믹스층과 상기 구리층 사이에 존재하는 납재층을 구비한, 평판상의 세라믹스-구리 복합체로서,
당해 세라믹스-구리 복합체를, 그 주면에 수직인 면에서 절단했을 때의 절단면에 있어서의, 장변 방향의 길이 1700 ㎛ 의 영역을 영역 P 로 했을 때,
상기 영역 P 에 있어서의, 상기 세라믹스층과 상기 납재층의 계면으로부터 상기 구리층측으로 50 ㎛ 이내의 영역 P1 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정의 평균 결정 입경 D1 이, 30 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인, 세라믹스-구리 복합체.
제 1 항에 있어서,
상기 영역 P 전체에 있어서의 구리 결정의 평균 결정 입경을 D2 로 했을 때,
D2/D1 의 값이 0.5 이상 2.0 이하인, 세라믹스-구리 복합체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 영역 P1 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정 중에는, 입경 350 ㎛ 를 초과하는 결정이 포함되지 않는, 세라믹스-구리 복합체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절단면에 있어서, 상기 영역 P 와는 상이한, 장변 방향의 길이 1700 ㎛ 의 영역을 영역 P' 로 했을 때,
상기 영역 P' 에 있어서의, 상기 세라믹스층과 상기 납재층의 계면으로부터 상기 구리층측으로 50 ㎛ 이내의 영역 P1' 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정의 평균 결정 입경 D1' 가, 30 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인, 세라믹스-구리 복합체.
제 4 항에 있어서,
상기 영역 P1' 에 적어도 일부가 존재하는 구리 결정 중에는, 입경 350 ㎛ 를 초과하는 결정이 포함되지 않는, 세라믹스-구리 복합체.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구리층은 압연 구리판에 의해 구성되는, 세라믹스-구리 복합체.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 납재층이, Ag, Cu 및 Ti 와, Sn 및/또는 In 을 포함하는, 세라믹스-구리 복합체.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 세라믹스-구리 복합체의 제조 방법으로서,
진공 하 또는 불활성 가스 분위기 하에서, 770 ℃ 이상 830 ℃ 이하의 온도에서의 10 분 이상 60 분 이하의 가열에 의해, 세라믹스판과 구리판을, 납재로 접합하는 접합 공정을 포함하고,
상기 납재는, Ag 가 85.0 질량부 이상 95.0 질량부 이하, Cu 가 5.0 질량부 이상 13.0 질량부 이하, Ti 가 1.5 질량부 이상 5.0 질량부 이하, Sn 및 In 의 합계량이 0.4 질량부 이상 3.5 질량부 이하로 이루어지는, 세라믹스-구리 복합체의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 세라믹스-구리 복합체의, 적어도 상기 구리층의 일부가 제거되어 회로가 형성된, 세라믹스 회로 기판.
제 9 항의 세라믹스 회로 기판이 탑재된 파워 모듈.