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KR101419627B1 - 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈 - Google Patents

파워 모듈용 기판 및 파워 모듈 Download PDF

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KR101419627B1
KR101419627B1 KR1020127020290A KR20127020290A KR101419627B1 KR 101419627 B1 KR101419627 B1 KR 101419627B1 KR 1020127020290 A KR1020127020290 A KR 1020127020290A KR 20127020290 A KR20127020290 A KR 20127020290A KR 101419627 B1 KR101419627 B1 KR 101419627B1
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도시유키 나가세
신스케 아오키
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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

판상을 이루는 기판 본체의 일방의 면이, 반도체 소자가 탑재되는 탑재면이 되고, 상기 기판 본체의 타방의 면측에 절연층이 형성되어 이루어지는 파워 모듈용 기판으로서, 상기 기판 본체는, 탄소질 부재 중에 금속이 충전된 금속기 복합 재료로 이루어지는 금속기 복합판으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

파워 모듈용 기판 및 파워 모듈{SUBSTRATE FOR POWER MODULE, AND POWER MODULE}
본 발명은, 예를 들어 대전류, 고전압을 제어하는 반도체 장치에 사용되는 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈에 관한 것이다.
본원은, 2010년 2월 5일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2010-024705호 및 2010년 2월 5일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2010-024706호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
반도체 소자 중에서도 전력 공급을 위한 파워 소자는 발열량이 비교적 높다. 파워 소자를 탑재하는 파워 모듈용 기판으로는, 예를 들어 특허문헌 1 - 3 에 기재되어 있는 바와 같이, 히트 싱크 상에 절연층으로서 수지층이 형성되고, 이 수지층 상에 구리판으로 이루어지는 기판 본체가 배치 형성된 절연 기판이 제안되어 있다. 이 파워 모듈용 기판에 있어서는, 기판 본체 상에 땜납재를 개재하여 파워 소자로서의 반도체 소자 (실리콘 칩) 가 탑재된다.
이와 같은 파워 모듈용 기판에 있어서는, 반도체 소자로부터 발생한 열이, 열전도율이 높은 구리판으로 이루어지는 기판 본체에 있어서 판면 방향 (적층 방향에 직교하는 방향) 으로 확산된 상태에서, 열전도율이 낮은 수지층을 개재하여 히트 싱크측으로 방산된다.
여기서, 전술한 파워 모듈용 기판의 절연층에 있어서의 방열 특성은, 이하에 나타내는 열 저항 Rth 에 의해 표현된다.
Rth ＝ (1/k)·(t/S)
Rth : 열 저항, k : 열전도율, t : 절연층의 두께, S : 절연층의 면적
또, 예를 들어 특허문헌 4 에 나타내는 바와 같이, AlN (질화알루미늄) 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (절연층에 상당) 의 일방의 면측에, 회로층 (기판 본체에 상당) 이 되는 Al (알루미늄) 의 금속판이 Al-Si 계의 납재를 개재하여 접합된 파워 모듈용 기판이 널리 사용되고 있다.
그런데, 반도체 소자를 구성하는 실리콘의 열팽창 계수는 약 2 × 10-6/℃ 로, 기판 본체를 구성하는 구리나 알루미늄의 열팽창 계수와 크게 상이하다. 이 때문에, 파워 모듈에 대해 냉열 사이클이 부하된 경우에는, 이 열팽창 계수의 차이에 의한 응력이 땜납층에 작용하여, 땜납층에 크랙이 발생할 우려가 있었다.
최근에는, 파워 모듈의 소형화·박육화가 진행됨과 함께, 그 사용 환경도 엄격해지고 있어, 반도체 소자 등의 전자 부품으로부터의 발열량이 커지고 있기 때문에 냉열 사이클의 온도차가 크고, 상기 서술한 땜납층에 크랙이 발생하기 쉬운 경향이 있다.
기판 본체를 Cu-Mo 합금으로 구성함으로써, 기판 본체의 열팽창 계수를 반도체 소자의 열팽창 계수에 근사시켜, 땜납층의 크랙의 발생을 억제하는 것이 생각된다.
그러나, Cu-Mo 합금의 열전도율은 170 W/m·K 로 낮아지기 때문에, 열을 충분히 확산시킬 수 없어, 반도체 소자에서 발생한 열을 효율적으로 방산시킬 수 없다.
본 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 반도체 소자로부터 발생한 열을 효율적으로 방산시키는 것이 가능함과 함께, 냉열 사이클을 부하시킨 경우라도 반도체 소자와의 사이에 끼워 형성된 땜납층에 있어서의 크랙의 발생을 억제할 수 있는 파워 모듈용 기판 및 이 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일본 공개특허공보 2007-142067호 일본 공개특허공보 2004-165281호 일본 공개특허공보 2006-114716호 일본 공개특허공보 2005-328087호
본 발명의 파워 모듈용 기판은, 판상을 이루는 기판 본체의 일방의 면이, 반도체 소자가 탑재되는 탑재면이 되고, 상기 기판 본체의 타방의 면측에 절연층이 형성되어 이루어지는 파워 모듈용 기판으로서, 상기 기판 본체는, 탄소질 부재 중에 금속이 충전된 금속기 (金屬基) 복합 재료로 이루어지는 금속기 복합판으로 구성되어 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 기판 본체의 열팽창 계수를 구리 등의 금속의 열팽창 계수보다 작게 설정할 수 있어, 냉열 사이클에 의한 땜납층의 크랙의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 제 1 양태는, 상기 금속기 복합판은, 일방향에 있어서의 열전도율이 타방향에 있어서의 열전도율보다 높아지도록 이방성을 갖고 있고, 상기 기판 본체에 있어서의 고열전도율 방향이, 상기 기판 본체의 두께 방향을 향하도록 구성되어 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 기판 본체의 두께를 두껍게 해도 열을 두께 방향을 향하게 하여 전달시키는 것이 가능해진다. 따라서, 기판 본체의 두께를 두껍게 함으로써, 판면 방향을 향한 열의 확산을 촉진시킬 수 있어, 기판 본체에 있어서 반도체 소자로부터 발생하는 열을 확산시켜 방산시킬 수 있다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 제 1 양태에 있어서, 상기 기판 본체의 두께 ts (㎜) 와 상기 기판 본체의 면적 S (㎟) 와 상기 반도체 소자의 접합 면적 S0 (㎟) 이 0.003 ≤ ts/(S － S0) ≤ 0.015 의 범위 내로 되어 있어도 된다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 기판 본체의 면적 S 에 대해 그 두께 ts 의 두께가 확보되어, 기판 본체의 면적 S 전체에 걸쳐 열을 확산시킬 수 있다. 또, 필요 이상으로 기판 본체의 판두께가 두꺼워지지 않아, 두께 방향의 열의 전달을 효율적으로 실시하는 것이 가능해진다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 제 2 양태는, 상기 기판 본체는, 탄소질 부재 중에 금속이 충전된 금속기 복합 재료로 이루어지는 금속기 복합판이 복수 적층되어 있다. 이 금속기 복합 재료는, 일방향에 있어서의 열전도율이 타방향에 있어서의 열전도율보다 높아지도록 이방성을 갖고 있다. 상기 기판 본체에 있어서, 하나의 금속기 복합판에 있어서의 고열전도율 방향과, 다른 금속기 복합판에 있어서의 고열전도율 방향이 서로 상이하도록 구성되어 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에서는, 반도체 소자로부터 발생한 열이, 기판 본체의 각각의 금속기 복합판에 있어서, 서로 상이한 방향으로 우선적으로 방산되는 점에서, 열의 방산을 효율적으로 실시하는 것이 가능해진다. 또한, 하나의 금속기 복합판과 다른 금속기 복합판의 각각의 두께를 조정함으로써, 열의 방산 방향을 조정하는 것이 가능해진다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 제 2 양태에서는, 상기 기판 본체에 있어서, 하나의 금속기 복합판에 있어서의 고열전도율 방향이, 상기 기판 본체의 두께 방향을 향하도록 구성되어 있어도 된다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에서는, 하나의 금속기 복합판에 있어서의 고열전도율 방향이 상기 기판 본체의 두께 방향 (즉, 기판 본체와 히트 싱크의 적층 방향) 을 향하도록 구성되어 있다. 따라서, 다른 금속기 복합판에 있어서의 고열전도율 방향이 상기 두께 방향 이외의 방향을 향하게 되기 때문에, 이 다른 금속기 복합판에 있어서 열이 확산되도록 방산시킬 수 있다. 또, 하나의 금속기 복합판에 있어서의 고열전도율 방향이 상기 기판 본체의 두께 방향 (적층 방향) 을 향하도록 구성되어 있기 때문에, 반도체 소자로부터 발생한 열을 히트 싱크측으로 우선적으로 방산시킬 수 있다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 제 2 양태에서는, 상기 기판 본체에 있어서는, 3 장의 금속기 복합판이 적층되어 있고, 제 1 금속기 복합판의 고열전도율 방향과, 제 2 금속기 복합판의 고열전도율 방향과, 제 3 금속기 복합판의 고열전도율 방향이 서로 직교하도록 배치되어 있어도 된다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 열을 3 방향으로 분산시켜 방산시키는 것이 가능해진다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 제 2 양태에 있어서, 상기 제 1 금속기 복합판과, 상기 제 2 금속기 복합판과, 상기 제 3 금속기 복합판이 각각 동일한 두께로 구성되어 있어도 된다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 기판 본체 전체에서는 열전도율의 이방성이 개선되게 된다. 따라서, 등방재로 구성된 기판 본체와 동일하게 취급하는 것이 가능해진다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 제 3 양태는, 상기 금속기 복합판은, 일방향에 있어서의 열전도율이 타방향에 있어서의 열전도율보다 높아지도록 이방성을 갖고 있다. 상기 기판 본체에 있어서의 고열전도율 방향이, 상기 기판 본체의 두께 방향과 직교하는 방향을 향하도록 구성되어 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 기판 본체의 두께를 두껍게 하지 않아도, 기판 본체의 판면 방향을 향하게 하여 열을 충분히 확산시키는 것이 가능해진다.
본 발명의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 기판 본체의 열팽창 계수가 8 × 10-6/℃ 이하로 되어 있어도 된다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 기판 본체의 열팽창 계수가, 반도체 소자를 구성하는 Si 등의 열팽창 계수에 근사하게 된다. 따라서, 땜납 크랙의 발생을 확실하게 억제할 수 있어, 이 파워 모듈용 기판의 신뢰성을 대폭 향상시킬 수 있다.
본 발명의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 금속기 복합판에 있어서의 고열전도율 방향의 열전도율이 400 W/m·K 이상으로 되어 있고, 이 고열전도율 방향에 직교하는 방향의 열전도율이 200 W/m·K 이상으로 되어 있어도 된다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 반도체 소자로부터 발생한 열을 고열전도율 방향을 향하게 하여 우선적으로 방산시키는 것이 가능해진다. 또, 고열전도율 방향 이외에 있어서도 열의 전달이 실시되게 되어, 반도체 소자로부터 발생한 열을 효율적으로 방산시킬 수 있다.
본 발명의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 금속기 복합 재료가, 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 탄소질 부재 중에 충전되어 이루어지는 알루미늄기 복합 재료여도 된다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 융점이 비교적 낮은 점에서, 탄소질 부재 중에 이들 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 간단하게 충전시킬 수 있다. 또, 고열전도율 방향에서 열전도율이 400 ∼ 450 W/m·K, 실온에서 200 ℃ 까지의 열팽창 계수가 6 ∼ 8 × 10-6/℃, 고열전도율 방향에 직교하는 방향에서 열전도율이 200 ∼ 250 W/m·K, 실온에서 200 ℃ 까지의 열팽창 계수가 2 ∼ 4 × 10-6/℃ 가 된다. 따라서, 반도체 소자와의 열팽창 계수의 차이에서 기인하는 땜납층의 크랙 발생을 억제할 수 있음과 함께, 효율적으로 열을 방산시킬 수 있다.
본 발명의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 금속기 복합 재료가, 구리 또는 구리 합금이 탄소질 부재 중에 충전되어 이루어지는 구리기 복합 재료여도 된다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 열전도율이 500 ∼ 650 W/m·K, 실온에서 200 ℃ 까지의 열팽창 계수가 5 ∼ 7 × 10-6/℃ 가 되어, 반도체 소자와의 열팽창 계수의 차이에서 기인하는 땜납층의 크랙 발생을 억제할 수 있음과 함께, 효율적으로 열을 방산시킬 수 있다.
본 발명의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 기판 본체의 일방의 면측에는, 상기 금속기 복합 재료에 있어서 탄소질 부재 중에 충전된 금속으로 이루어지는 금속 스킨층이 형성되어 있어도 된다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 기판 본체의 일방의 면측에, 상기 금속기 복합 재료에 있어서 탄소질 부재 중에 충전된 금속으로 이루어지는 금속 스킨층이 형성되어 있기 때문에, 땜납층을 개재하여 반도체 소자를 확실하게 탑재할 수 있다. 또, 이 금속 스킨층에 Ni 도금 등을 실시함으로써, 나아가서는 땜납재와의 밀착성을 향상시키는 것도 가능하다.
본 발명의 파워 모듈은, 상기 서술한 파워 모듈용 기판과, 상기 기판 본체의 일방의 면 상에 탑재되는 반도체 소자를 구비하고 있다.
이 구성의 파워 모듈에 있어서는, 반도체 소자로부터 발생하는 열을 기판 본체에 있어서 확산시켜 히트 싱크측으로 열을 효율적으로 방산시키는 것이 가능해진다. 또, 냉열 사이클 부하시에 있어서도 땜납층에 크랙이 발생하지 않는다. 따라서, 파워 모듈의 신뢰성을 대폭 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 반도체 소자로부터 발생한 열을 효율적으로 방산시키는 것이 가능함과 함께, 냉열 사이클을 부하시킨 경우라도 반도체 소자와의 사이에 끼워 형성된 땜납층에 있어서의 크랙의 발생을 억제할 수 있는 파워 모듈용 기판 및 이 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈을 제공하는 것이 가능해진다.
도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는, 도 1 에 있어서의 A-A 단면 화살표도이다.
도 3 은, 본 발명의 실시형태인 파워 모듈용 기판의 단면 설명도이다.
도 4 는, 도 1, 도 2 에 나타내는 파워 모듈의 제조 방법의 플로우도이다.
도 5 는, 기판 본체의 제조 방법의 설명도이다.
도 6 은, 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈의 단면 설명도이다.
도 7 은, 도 6 에 나타내는 파워 모듈용 기판에 구비된 기판 본체의 사시도이다.
도 8 은, 도 7 에 나타내는 기판 본체의 단면 설명도이다.
도 9 는, 도 7 에 나타내는 기판 본체의 제조 방법의 설명도이다.
도 10 은, 도 7 의 기판 본체에 구비된 제 1 금속기 복합판에 있어서의 열의 전달 상황을 나타내는 설명도이다.
도 11 은, 도 7 의 기판 본체에 구비된 제 2 금속기 복합판에 있어서의 열의 전달 상황을 나타내는 설명도이다.
도 12 는, 도 7 의 기판 본체에 구비된 제 3 금속기 복합판에 있어서의 열의 전달 상황을 나타내는 설명도이다.
도 13 은, 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 14 는, 도 13 에 있어서의 A-A 단면 화살표도이다.
도 15 는, 도 13 에 나타내는 파워 모듈용 기판에 구비된 기판 본체의 단면 설명도이다.
도 16 은, 본 발명의 제 4 실시형태인 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈의 개략 단면 설명도이다.
도 17 은, 본 발명의 제 4 실시형태에 있어서의 회로층 (기판 본체) 의 단면 설명도이다.
도 18 은, 본 발명의 제 4 실시형태인 파워 모듈의 제조 방법의 플로우도이다.
도 19 는, 본 발명의 제 4 실시형태인 파워 모듈의 회로층 (기판 본체) 을 구성하는 금속기 복합판의 제조 방법의 설명도이다.
도 20 은, 본 발명의 제 4 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 설명도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
먼저, 본 발명의 제 1 실시형태에 대해 도 1 내지 도 5 를 사용하여 설명한다.
이 파워 모듈 (1) 은, 파워 모듈용 기판 (10) 과, 이 파워 모듈용 기판 (10) 의 일방의 면 (도 2 에 있어서 상면) 에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 파워 모듈용 기판 (10) 의 타방의 면 (도 2 에 있어서 하면) 측에 배치 형성된 히트 싱크 (30) 를 구비하고 있다. 여기서, 땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 되어 있다.
히트 싱크 (30) 는, 파워 모듈용 기판 (10) 상에 탑재된 반도체 소자 (3) 를 냉각시키는 것이다. 히트 싱크 (30) 는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 파워 모듈용 기판 (10) 과 접합되는 천판부 (31) 와, 이 천판부 (31) 로부터 수직 형성된 방열핀 (32) 을 구비하고 있다. 히트 싱크 (30) (천판부 (31)) 는, 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 본 실시형태에 있어서는, 예를 들어 A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 판상을 이루는 기판 본체 (20) 를 구비하고 있다. 이 기판 본체 (20) 의 타방의 면에 절연성의 수지로 이루어지는 절연층 (15) 이 형성되어 있고, 이 절연층 (15) 을 개재하여 히트 싱크 (30) 가 배치 형성되어 있다. 또한, 절연층 (15) 을 구성하는 수지로는, 예를 들어, 에폭시 수지, 유리 에폭시 수지, 폴리이미드 수지 등의 수지 재료나, 이들 수지 재료에 무기 필러를 혼합한 것 등을 들 수 있다.
기판 본체 (20) 는, 탄소질 부재 중에 금속이 충전된 금속기 복합 재료로 구성되어 있다.
또, 이 기판 본체 (20) 의 일방의 면 (도 2 및 도 3 에 있어서 상측) 에는, 탄소질 부재 중에 충전된 금속으로 이루어지는 금속 스킨층 (25) 이 형성되어 있다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 이 금속 스킨층 (25) 상에는 Ni 도금층 (5) 이 형성되어 있다. 이 Ni 도금층 (5) 상에 땜납층 (2) 을 개재하여 반도체 소자 (3) 가 탑재된다.
여기서, 본 실시형태에 있어서는, 기판 본체 (20) 를 구성하는 금속기 복합 재료는, 평균 면 간격 d002 가 0.340 ㎚ 이하로 된 탄소질 부재 중에, 순도 99.98 ％ 이상의 알루미늄 (순알루미늄) 이 충전된 알루미늄-그래파이트 복합 재료로 구성되어 있다. 기판 본체 (20) 를 구성하는 금속기 복합 재료는, 탄소질 부재의 기공의 90 체적％ 이상이 순알루미늄에 의해 치환되고, 이 순알루미늄의 함유율이, 알루미늄-그래파이트 복합 재료 전체 체적 기준으로 35 ％ 이하로 되어 있다.
또, 전술한 금속 스킨층 (25) 은, 탄소질 부재 중에 충전된 알루미늄으로 구성되어 있다.
여기서, 전술한 탄소질 부재는 압출 가공에 의해 제조되는 것으로, 그 압출 방향을 따라 탄소의 결정이 나열되도록 구성되어 있다. 따라서, 탄소질 부재의 압출 방향에 있어서는, 알루미늄이 연속적으로 배치되게 되어 열전도율이 높아진다. 한편, 압출 방향에 교차하는 방향에 있어서는, 탄소질 부재에 의해 알루미늄이 분단되어 열전도율이 저하된다. 이와 같이, 기판 본체 (20) 를 구성하는 알루미늄-그래파이트 복합 재료 (금속기 복합 재료) 는, 탄소질 부재의 압출 방향에 있어서의 열전도율이, 그 밖의 방향에 있어서의 열전도율보다 높아지도록 이방성을 갖고 있고, 탄소질 부재의 압출 방향이 고열전도율 방향으로 되어 있다.
여기서, 기판 본체 (20) 의 열팽창 계수 (실온에서 200 ℃ 까지) 는, 8 × 10-6/℃ 이하로 되어 있다. 또, 기판 본체 (20) 에 있어서의 고열전도율 방향의 열전도율이 400 W/m·K 이상, 구체적으로는 400 ∼ 450 W/m·K 로 되어 있다. 고열전도율 방향에 직교하는 방향의 열전도율이 200 W/m·K 이상, 구체적으로는 200 ∼ 250 W/m·K 로 되어 있다.
기판 본체 (20) 의 두께 ts (㎜) 와, 기판 본체 (20) 의 면적 S (㎟) 와, 반도체 소자 (3) 의 접합 면적 S0 (㎟) 의 관계는 0.003 ≤ ts/(S － S0) ≤ 0.015 로 되어 있다.
절연층 (15) 의 두께 ti 와 기판 본체 (20) 의 두께 ts 의 비 ti/ts 가 0.01≤ ti/ts ≤ 0.30 으로 되어 있다.
다음으로, 본 실시형태인 파워 모듈 (1) 의 제조 방법에 대해 설명한다.
먼저, 알루미늄-그래파이트 복합 재료로 이루어지는 기판 본체 (20) 를 형성한다 (기판 본체 형성 공정 S1). 이 기판 본체 형성 공정 S1 에 대해 도 5 를 참조하여 설명한다. 기공률 10 ∼ 30 체적％ 인 흑연판 (41) 을 준비한다. 이 때, 흑연판 (41) (탄소질 부재) 에 있어서의 압출 방향이 두께 방향을 향하는 것으로 한다. 이 흑연판 (41) 의 양면에 각각 기공률 5 체적％ 이하의 흑연으로 이루어지는 협지판 (47, 47) 을 배치 형성한다. 이 협지판 (47, 47) 과 흑연판 (41) 을, 스테인리스제의 가압판 (48, 48) 에 의해 협지한다. 이것을, 예를 들어 100 ∼ 200 ㎫ 로 가압한 상태에서 750 ∼ 850 ℃ 로 가열하고, 순도 99.98 ％ 이상의 용융 알루미늄을 흑연판 (41) 에 함침시킨다. 이것을 냉각 응고시킴으로써, 알루미늄-그래파이트 복합 재료로 이루어지는 기판 본체 (20) 가 제출 (製出) 된다. 이 때, 용융 알루미늄의 일부가 흑연판 (41) (기판 본체 (20)) 의 표면에 삼출 (渗出) 되어 알루미늄층 (44, 44) 이 형성된다. 이 알루미늄층 (44, 44) 에 절삭 가공을 실시하여 두께를 조정함으로써, 금속 스킨층 (25) 이 형성된다.
다음으로, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 기판 본체 (20) 의 타방의 면측에 절연층 (15) 을 형성한다 (절연층 형성 공정 S2). 이 절연층 형성 공정 S2 에 있어서는, 예를 들어, 에폭시 수지, 유리 에폭시 수지, 폴리이미드 수지 등의 수지 재료를 도포, 경화시킴으로써 형성해도 된다. 이들 수지 재료로 이루어지는 판재를 접착제 등으로 접합시켜도 된다.
이와 같이 하여, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 이 제출된다.
다음으로, 이 파워 모듈용 기판 (10) 의 타방의 면측에 히트 싱크 (30) (천판부 (31)) 를 접합시킨다 (히트 싱크 접합 공정 S3). 이 히트 싱크 접합 공정 S3 에 있어서는, 수지 재료로 이루어지는 절연층 (15) 에 히트 싱크 (30) 의 천판부 (31) 를, 예를 들어 에폭시 수지, 접착제 등의 접합재를 사용하여 접합시킨다.
또, 파워 모듈용 기판 (10) 의 일방의 면측에 형성된 금속 스킨층 (25) 의 표면에 Ni 도금막 (5) 을 형성한다 (Ni 도금 공정 S4). 이 Ni 도금 공정 S4 에 있어서는, 전해 도금 또는 무전해 도금 중 어느 방법도 사용할 수 있다.
그리고, 파워 모듈용 기판 (10) 의 일방의 면측에 형성된 Ni 도금막 (5) 상에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 재치하고, 환원로 내에 있어서 땝납 접합시킨다 (반도체 소자 접합 공정 S5).
이로써, 땜납층 (2) 을 개재하여 반도체 소자 (3) 가 파워 모듈용 기판 (10) 상에 접합되어, 본 실시형태인 파워 모듈 (1) 이 제출된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 및 파워 모듈 (1) 에 있어서는, 기판 본체 (20) 가 탄소질 부재 중에 금속이 충전된 금속기 복합 재료, 보다 구체적으로는, 알루미늄-그래파이트 복합 재료로 구성되어 있기 때문에, 기판 본체 (20) 의 열팽창계수가 8 × 10-6/℃ 이하로 비교적 작아져, 냉열 사이클에 의한 땜납층 (2) 의 크랙의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
또, 기판 본체 (20) 가, 일방향에 있어서의 열전도율이 타방향에 있어서의 열전도율보다 높아지도록 이방성을 갖고 있고, 기판 본체 (20) 에 있어서의 고열전도율 방향이 기판 본체 (20) 의 두께 방향을 향하도록 구성되어 있기 때문에, 기판 본체 (20) 의 판두께를 두껍게 해도 열을 두께 방향으로 전달시킬 수 있다. 따라서, 기판 본체 (20) 의 두께를 두껍게 함으로써 판면 방향을 향한 열의 확산을 촉진시키는 것이 가능해진다. 이로써, 반도체 소자 (3) 로부터 발생하는 열을 확산시켜 방산시킬 수 있다.
또, 기판 본체 (20) 에 있어서의 고열전도율 방향의 열전도율이 400 W/m·K 이상, 구체적으로는 400 ∼ 450 W/m·K 로 되어 있기 때문에, 기판 본체 (20) 의 판두께를 두껍게 하였다고 해도 열을 효율적으로 판두께 방향으로 전달시킬 수 있다.
또, 고열전도율 방향에 직교하는 방향의 열전도율이 200 W/m·K 이상, 구체적으로는 200 ∼ 250 W/m·K 로 되어 있기 때문에, 판두께를 두껍게 함으로써 효율적으로 열을 판면 방향으로 확산시킬 수 있다.
따라서, 반도체 소자 (3) 로부터 발생하는 열을, 판면 방향으로 확산시킴과 함께 판두께 방향으로 전달시킴으로써, 열의 방산을 효율적으로 실시할 수 있다.
또한, 기판 본체 (20) 의 두께 ts (㎜) 와, 기판 본체 (20) 의 면적 S (㎟) 와, 반도체 소자 (3) 의 접합 면적 S0 (㎟) 의 관계식 ts/(S － S0) 이 0.003 이상으로 되어 있기 때문에, 기판 본체 (20) 의 면적 S 에 대해 두께 ts 가 확보되어 열을 판면 방향으로 확실하게 확산시킬 수 있다. 또, ts/(S － S0) 이 0.015 이하로 되어 있기 때문에, 필요 이상으로 기판 본체 (20) 의 판두께가 두꺼워지지 않아, 두께 방향의 열의 전달을 효율적으로 실시하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태에서는, 기판 본체 (20) 의 두께 ts 와 절연층 (15) 의 두께 ti 의 비 ti/ts 가 0.01 ≤ ti/ts ≤ 0.30 으로 되어 있기 때문에, 기판 본체 (20) 에 있어서 열을 판면 방향으로 충분히 확산시킨 상태에서 절연층 (15) 을 개재하여 히트 싱크 (30) 로 열을 방산시킬 수 있다.
또, 기판 본체 (20) 의 일방의 면측에 금속 스킨층 (25) 이 형성되어 있고, 이 금속 스킨층 (25) 상에 Ni 도금막 (5) 이 형성되어 있기 때문에, 땜납층 (2) 을 개재하여 반도체 소자 (3) 를 확실하게 탑재할 수 있다.
이와 같이 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 및 파워 모듈 (1) 에 의하면, 반도체 소자 (3) 로부터 발생한 열을 효율적으로 방산시키는 것이 가능하다. 또, 냉열 사이클을 부하시킨 경우라도 반도체 소자 (3) 와의 사이에 끼워 장착된 땜납층 (2) 에 있어서의 크랙의 발생을 억제할 수 있어, 신뢰성의 향상을 도모할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해 도 6 내지 도 12 를 참조하여 설명한다. 또한, 제 1 실시형태와 동일한 부재에는 동일한 부호를 부여하고 상세한 설명을 생략한다.
이 파워 모듈용 기판 (110) 은, 판상을 이루는 기판 본체 (120) 를 구비하고 있다. 이 기판 본체 (120) 의 타방의 면에 절연성의 수지로 이루어지는 절연층 (115) 이 형성되어 있고, 이 절연층 (115) 을 개재하여 히트 싱크 (30) 가 배치 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 제 1 실시형태와는 기판 본체 (120) 의 구성이 상이하다.
기판 본체 (120) 는, 탄소질 부재 중에 금속이 충전된 금속기 복합 재료로 이루어지는 금속기 복합판이 2 장 이상 적층되어 구성되어 있고, 본 실시형태에서는, 도 6, 도 7 및 도 8 에 나타내는 바와 같이, 제 1 금속기 복합판 (121), 제 2 금속기 복합판 (122) 및 제 3 금속기 복합판 (123) 의 3 장의 금속기 복합판 (121, 122, 123) 이 적층되어 있다. 또, 이 기판 본체 (120) 의 일방의 면 (도 6, 도 7 및 도 8 에 있어서 상측) 에는, 금속 스킨층 (125) 이 형성되어 있다. 이 금속 스킨층 (125) 상에는 Ni 도금층 (5) 이 형성되어 있다. 이 Ni 도금층 (5) 상에 땜납층 (2) 을 개재하여 반도체 소자 (3) 가 탑재된다.
본 실시형태에 있어서는, 제 1 금속기 복합판 (121), 제 2 금속기 복합판 (122) 및 제 3 금속기 복합판 (123) 을 구성하는 금속기 복합 재료는, 제 1 실시형태에 있어서의 금속기 복합 재료와 동일한 구성의 알루미늄기 복합 재료로 구성되어 있다. 즉, 탄소질 부재에 순도 99.98 ％ 이상의 알루미늄 (순알루미늄) 이 충전된 알루미늄-그래파이트 복합 재료로 구성되어 있다. 또, 전술한 금속 스킨층 (125) 은, 탄소질 부재 중에 충전된 알루미늄으로 구성되어 있다.
여기서, 제 1 금속기 복합판 (121), 제 2 금속기 복합판 (122) 및 제 3 금속기 복합판 (123) 을 구성하는 금속기 복합 재료는, 탄소질 부재의 압출 방향에 있어서의 열전도율이, 그 밖의 방향에 있어서의 열전도율보다 높아지도록 이방성을 갖고 있고, 탄소질 부재의 압출 방향이 고열전도율 방향으로 되어 있다.
그리고, 도 7 에 나타내는 바와 같이 제 1 금속기 복합판 (121) 은, 고열전도율 방향이 도 7 에 있어서 좌우 방향 (X 방향) 이 되도록 배치되어 있다. 제 2 금속기 복합판 (122) 은, 고열전도율 방향이 도 7 에 있어서 좌하 우상 방향 (Y 방향) 이 되도록 배치되어 있다. 제 3 금속기 복합판 (123) 은, 고열전도율 방향이 도 7 에 있어서 상하 방향 (Z 방향) 이 되도록 배치되어 있다. 제 1 금속기 복합판 (121) 의 고열전도율 방향과, 제 2 금속기 복합판 (122) 의 고열전도율 방향과, 제 3 금속기 복합판 (123) 의 고열전도율 방향이 서로 직교하도록 배치되어 있다.
또, 제 1 금속기 복합판 (121) 의 판두께 t1, 제 2 금속기 복합판 (122) 의 판두께 t2 및 제 3 금속기 복합판 (123) 의 판두께 t3 은, 서로 동일해지도록 구성되어 있다.
이하에, 기판 본체 (120) 의 제조 방법에 대해 설명한다.
먼저, 기공률 10 ∼ 30 체적％ 인 흑연판 (탄소질 부재) 을 준비한다. 이 때, 흑연판 (탄소질 부재) 의 압출 방향이 판면을 따르도록 형성된 것을 2 장 준비하고, 이들 압출 방향이 직교하도록 2 장의 흑연판 (141, 142) 을 적층시킨다. 또한, 흑연판 (탄소질 부재) 의 압출 방향이 판두께 방향을 향하도록 형성된 것을 1 장 준비하고, 이 흑연판 (143) 을 2 장의 흑연판 (141, 142) 의 하측에 적층시킨다.
다음으로, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 이 흑연판 (141, 142, 143) 의 적층체 (145) 의 양면에 협지판 (47, 47) 을 배치 형성한다. 협지판 (47, 47) 과 적층체 (145) 를 가압판 (48, 48) 에 의해 협지한다. 이것을, 제 1 실시형태와 동일한 조건으로 가압 가열하고, 용융 알루미늄을 흑연판 (141, 142, 143) 에 함침시킨다. 그리고, 이것을 냉각 응고시켜 알루미늄기 복합 재료를 얻는다. 기판 본체 (120) 의 표면에 삼출되어 형성된 알루미늄층 (144, 144) 에 절삭 가공을 실시하여 두께를 조정함으로써, 금속 스킨층 (125) 이 형성된다.
다음으로, 본 실시형태인 파워 모듈 (101) 및 파워 모듈용 기판 (110) 의 작용에 대해 설명한다.
반도체 소자 (3) 로부터 발생한 열은, 먼저, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 기판 본체 (120) 의 상면측에 배치된 제 1 금속기 복합판 (121) 에 있어서, 폭방향 (도 10 에 있어서 좌우 방향) 으로 확산되어 간다.
다음으로, 제 1 금속기 복합판 (121) 에 있어서 폭방향으로 확산된 열은, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 제 2 금속기 복합판 (122) 에 있어서 안쪽길이 방향 (도 11 에 있어서 상하 방향) 으로 확산된다.
그리고, 제 1 금속기 복합판 (121) 및 제 2 금속기 복합판 (122) 에 의해 기판 본체 (120) 의 전체면으로 확산된 열은, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 제 3 금속기 복합판 (123) 에 의해 두께 방향으로 전달되고, 히트 싱크 (30) 측으로 방산된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 및 파워 모듈 (101) 에 있어서는, 기판 본체 (120) 가 제 1 금속기 복합판 (121), 제 2 금속기 복합판 (122) 및 제 3 금속기 복합판 (123) 의 3 장의 금속기 복합판이 적층되어 있고, 제 3 금속기 복합판 (123) 의 고열전도율 방향이 기판 본체 (120) 의 두께 방향 (기판 본체 (120) 와 히트 싱크 (30) 의 적층 방향) 을 향하도록 구성되어 있기 때문에, 반도체 소자 (3) 로부터 발생한 열을 히트 싱크 (30) 측으로 방산시킬 수 있다.
그리고, 기판 본체 (120) 가 알루미늄기 복합 재료로 구성되어 있는 점에서, 고열전도율 방향의 열전도율이 400 W/m·K 이상, 구체적으로는 400 ∼ 450 W/m·K 가 되고, 이 고열전도율 방향에 직교하는 방향의 열전도율이 200 W/m·K 이상, 구체적으로는 200 ∼ 250 W/m·K 가 되어, 열을 효율적으로 방산시키는 것이 가능해진다.
제 1 금속기 복합판 (121) 의 고열전도율 방향과, 제 2 금속기 복합판 (122) 의 고열전도율 방향과, 제 3 금속기 복합판 (123) 의 고열전도율 방향이 서로 직교하도록 배치되어 있기 때문에, 도 10 내지 도 12 에 나타내는 바와 같이, 반도체 소자 (3) 로부터 발생한 열이, 제 1 금속기 복합판 (121) 과 제 2 금속기 복합판 (122) 에 의해 기판 본체 (120) 의 전체면으로 확산되고, 그 후, 제 3 금속기 복합판 (123) 을 통하여 히트 싱크 (30) 측으로 방산된다. 따라서, 반도체 소자 (3) 로부터 발생하는 열을 효율적으로 방산시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 고열전도율 방향이 서로 직교하도록 배치된 제 1 금속기 복합판 (121), 제 2 금속기 복합판 (122) 및 제 3 금속기 복합판 (123) 이 각각 동일 두께로 되어 있기 때문에, 기판 본체 (120) 전체에서는 열전도율의 이방성이 개선되어 등방성을 나타낸다. 따라서, 등방성 재료로 구성된 기판 본체와 동일하게 취급하는 것이 가능해진다.
또, 기판 본체 (120) 의 일방의 면측에는, 금속 스킨층 (125) 이 형성되어 있기 때문에, 이 금속 스킨층 (125) 에 Ni 도금층 (5) 을 형성하고, 땜납층 (2) 을 개재하여 반도체 소자 (3) 를 탑재할 수 있다. 이로써, 기판 본체 (120) 와 반도체 소자 (3) 를 확실하게 접합시킬 수 있어, 파워 모듈 (101) 의 신뢰성을 대폭 향상시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 3 실시형태에 대해 도 13 내지 도 15 를 참조하여 설명한다. 또한, 제 1, 2 의 실시형태와 동일한 부재에는 동일한 부호를 부여하고 상세한 설명을 생략한다.
이 파워 모듈 (201) 및 파워 모듈용 기판 (210) 은, 판상을 이루는 기판 본체 (220) 를 구비하고 있다. 이 기판 본체 (220) 의 타방의 면에 절연성의 수지로 이루어지는 절연층 (215) 이 형성되어 있고, 이 절연층 (215) 을 개재하여 히트 싱크 (30) 가 배치 형성되어 있다.
이 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 에 있어서는, 기판 본체 (220) 의 구성이 제 1, 제 2 실시형태와 상이하다.
제 3 실시형태에 있어서는, 도 13 에 나타내는 바와 같이, 파워 모듈용 기판 (210) 은, 탑재되는 반도체 소자 (3) 의 크기에 대해 안쪽길이 방향 (도 13 에 있어서 상하 방향) 으로 확산이 없고, 폭방향 (도 13 에 있어서 좌우 방향) 으로만 확산을 갖고 있다.
그리고, 기판 본체 (220) 는, 도 14 및 도 15 에 나타내는 바와 같이, 제 1 금속기 복합판 (221) 및 제 2 금속기 복합판 (222) 의 2 장의 금속기 복합판이 적층된 구성으로 되어 있다. 또, 이 기판 본체 (220) 의 일방의 면 (도 14 및 도 15 에 있어서 상측) 에는, 금속 스킨층 (225) 이 형성되어 있다. 이 금속 스킨층 (225) 상에는 Ni 도금층 (5) 이 형성되어 있다. 이 Ni 도금층 (5) 상에 땜납층 (2) 이 형성되고, 반도체 소자 (3) 가 탑재된다.
여기서, 본 실시형태에 있어서는, 제 1 금속기 복합판 (221) 및 제 2 금속기 복합판 (222) 을 구성하는 금속기 복합 재료는, 제 1, 제 2 실시형태와 동일하게, 탄소질 부재 중에 순도 99.98 ％ 이상의 알루미늄 (순알루미늄) 이 충전된 알루미늄기 복합 재료로 구성되어 있다.
또, 전술한 금속 스킨층 (225) 은, 탄소질 부재 중에 충전된 알루미늄으로 구성되어 있다.
그리고, 본 실시형태에 있어서는, 도 15 에 나타내는 바와 같이, 제 1 금속기 복합판 (221) 은, 고열전도율 방향이 도 15 에 있어서 좌우 방향 (X 방향) 이 되도록 배치되어 있다. 제 2 금속기 복합판 (222) 은, 고열전도율 방향이 도 15 에 있어서 상하 방향 (Z 방향) 이 되도록 배치되어 있다. 즉, 제 1 금속기 복합판 (221) 의 고열전도율 방향과, 제 2 금속기 복합판 (222) 의 고열전도율 방향이 서로 직교하도록 배치되어 있다.
또, 제 1 금속기 복합판 (221) 의 판두께 t1 및 제 2 금속기 복합판 (222) 의 판두께 t2 는, 서로 동일해지도록 구성되어 있다.
이상과 같은 구성으로 된 제 3 의 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 및 파워 모듈 (201) 에 있어서는, 반도체 소자 (3) 로부터 발생한 열이, 제 1 금속기 복합판 (221) 에 의해 폭방향 (도 14 및 도 15 에 있어서 좌우 방향) 으로 확산되고, 기판 본체 (220) 의 전체면에 열이 확산된다. 그리고, 제 2 금속기 복합판 (222) 에 의해 히트 싱크 (30) 측으로 열이 방산된다.
따라서, 반도체 소자 (3) 로부터 발생한 열을 효율적으로 방산시키는 것이 가능해진다.
다음으로, 본 발명의 제 4 실시형태인 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈에 대해, 도 16 내지 도 20 을 사용하여 설명한다.
이 파워 모듈 (301) 은, 파워 모듈용 기판 (310) 과, 이 파워 모듈용 기판 (310) 의 일방의 면 (도 16 에 있어서 상면) 에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 파워 모듈용 기판 (310) 의 타방의 면 (도 16 에 있어서 하면) 측에 배치 형성된 히트 싱크 (30) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (310) 은, 세라믹스 기판 (315) 과, 세라믹스 기판 (315) 의 일방의 면에 배치 형성된 회로층 (312) 과, 세라믹스 기판 (315) 의 타방의 면에 배치 형성된 완충층 (313) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (315) 은, 회로층 (312) 과 완충층 (313) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (315) 의 두께는 0.2 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하로 되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 되어 있다.
완충층 (313) 은, 세라믹스 기판 (315) 의 타방의 면에 금속판 (353) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 완충층 (313) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 알루미늄판이 세라믹스 기판 (315) 에 접합됨으로써 형성되어 있다. 또한, 이 완충층 (313) 의 두께는 0.2 ㎜ 이상 4.0 ㎜ 이하로 되어 있고, 본 실시형태에서는 2.0 ㎜ 로 되어 있다.
그리고, 회로층 (312) 은, 세라믹스 기판 (315) 의 일방의 면에 탄소질 부재 중에 금속이 충전된 금속기 복합 재료로 이루어지는 금속기 복합판 (352) 이 접합됨으로써 형성되어 있다.
이와 같이, 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (312) 이 기판 본체 (320) 로 되어 있고, 세라믹스 기판 (315) 이 절연층으로 되어 있다. 또한, 회로층 (312) (기판 본체 (320)) 이 되는 금속기 복합판 (352) 의 열팽창 계수가 3.5 × 10-6/℃ 이상 15 × 10-6/℃ 이하의 범위 내로 되어 있다.
회로층 (312) (기판 본체 (320)) 은, 본체층 (312A) 과, 본체층 (312A) 의 일면 및 타면에 형성된 금속 스킨층 (312B) 을 구비하고 있다.
본 실시형태에 있어서는, 본체층 (312A) 의 두께 t1 이 0.1 ㎜ ≤ t1 ≤ 3.98 ㎜ 가 되고, 금속 스킨층 (312B) 의 두께 t2 가 0.01 ㎜ ≤ t2 ≤ 0.5 ㎜ 가 되어 있다.
여기서, 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (312) (기판 본체 (320)) 을 구성하는 금속기 복합판 (352) 은, 제 1 ∼ 제 3 실시형태와 동일하게, 탄소질 부재 중에 순도 99.98 ％ 이상의 알루미늄 (순알루미늄) 이 충전된 알루미늄기 복합 재료로 구성되어 있다. 또, 전술한 금속 스킨층 (312B) 은, 탄소질 부재 중에 충전된 알루미늄으로 구성되어 있다.
여기서, 금속기 복합판 (352) 은, 탄소질 부재의 압출 방향에 있어서의 열전도율이, 그 밖의 방향에 있어서의 열전도율보다 높아지도록 이방성을 갖고 있고, 탄소질 부재의 압출 방향이 고열전도율 방향으로 되어 있다.
여기서, 회로층 (312) (기판 본체 (320)) 에 있어서는, 금속기 복합판 (352) 의 고열전도율 방향이 두께 방향 (세라믹스 기판 (315) 과의 적층 방향) 에 대해 직교하는 방향을 향하도록 배치되어 있다.
이하에, 본 실시형태인 파워 모듈 (301) 의 제조 방법에 대해 설명한다. 이 파워 모듈 (301) 의 제조 방법은, 회로층 (312) (기판 본체 (320)) 이 되는 금속기 복합판 (352) 을 형성하는 금속기 복합판 형성 공정 S301 과, 이 금속기 복합판 (352) 을 세라믹스 기판 (315) 에 접합시켜 파워 모듈용 기판 (310) 을 제출하는 세라믹스 기판 접합 공정 S302 와, 파워 모듈용 기판 (310) 과 히트 싱크 (30) 를 접합시키는 히트 싱크 접합 공정 S303 과, 회로층 (312) (기판 본체 (320)) 의 일면에 반도체 소자 (3) 를 접합시키는 반도체 소자 접합 공정 S304 를 구비하고 있다.
금속기 복합판 형성 공정 S301 에 있어서는, 기공률 10 ∼ 30 체적％ 의 흑연판 (341) 을 준비한다. 이 때, 흑연판 (341) (탄소질 부재) 에 있어서의 압출 방향이 두께 방향에 대해 직교하는 방향을 향하는 것으로 한다. 이 흑연판 (341) 의 양면에 협지판 (47, 47) 을 배치 형성하고, 이 협지판 (47, 47) 과 흑연판 (341) 의 적층체를 가압판 (48, 48) 에 의해 협지한다. 이것을, 제 1, 제 2 실시형태와 동일한 조건으로 가압 가열하여, 용융 알루미늄을 흑연판 (341) 에 함침시킨다. 그리고, 이것을 냉각 응고시켜 알루미늄기 복합 재료를 얻는다. 금속기 복합판 (352) 의 표면에 삼출되어 형성된 알루미늄층 (344, 344) 에 절삭 가공을 실시하여 두께를 조정함으로써, 금속 스킨층 (312B) 이 형성된다.
세라믹스 기판 접합 공정 S302 에 있어서는, 도 20 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (315) 의 일방의 면에 납재 (354) 를 개재하여 금속기 복합판 (352) 을 적층시키고, 또한 세라믹스 기판 (315) 의 타방의 면에 납재 (355) 를 개재하여 금속판 (353) 을 적층시킨다. 여기서, 본 실시형태에서는, 납재 (354, 355) 로서 Al-7.5 질량％ Si 로 이루어지는 두께 10 ∼ 12 ㎛ 의 납재박을 사용하고 있다.
적층된 금속기 복합판 (352), 세라믹스 기판 (315), 금속판 (353) 을 적층 방향으로 가압 (압력 1.5 ∼ 6.0 ㎏f/㎠) 한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다. 이로써, 금속기 복합판 (352) 과 세라믹스 기판 (315) 의 계면에 용융 금속 영역을 형성하고, 세라믹스 기판 (315) 과 금속판 (353) 의 계면에 용융 금속 영역을 형성한다.
여기서, 본 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 ㎩ 이상 10-3 ㎩ 이하의 범위 내로, 가열 온도는 640 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로 하고 있다.
그리고, 이것을 냉각시킴으로써 금속기 복합판 (352) 과 세라믹스 기판 (315) 의 계면에 형성된 용융 금속 영역이 응고되어, 금속기 복합판 (352) 과 세라믹스 기판 (315) 이 접합된다. 세라믹스 기판 (315) 과 금속판 (353) 의 계면에 형성된 용융 금속 영역이 응고되어, 세라믹스 기판 (315) 과 금속판 (353) 이 접합된다.
히트 싱크 접합 공정 S303 에 있어서는, 도 20 에 나타내는 바와 같이, 히트 싱크 (30) 의 접합면에 Ag 페이스트를 도포하여, 150 ∼ 200 ℃ 에서 건조시킨 후에 300 ∼ 500 ℃ 에서 소성을 실시함으로써 Ag 층 (356) 을 형성한다. 또한, Ag 페이스트의 두께는, 건조 후에 약 0.02 ∼ 200 ㎛ 로 하였다. 또, Ag 층 (356) 에 있어서의 Ag 량은 0.01 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하로 되어 있다.
여기서 사용되는 Ag 페이스트는, Ag 분말과 수지와 용제와 분산제를 함유하고, Ag 분말의 함유량이 Ag 페이스트 전체의 60 질량％ 이상 90 질량％ 이하로 되어 있으며, 잔부가 수지, 용제, 분산제로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, Ag 분말의 함유량은 Ag 페이스트 전체의 85 질량％ 로 되어 있다.
또, 본 실시형태에서는, Ag 페이스트의 점도가 10 ㎩·s 이상 500 ㎩·s 이하, 보다 바람직하게는 50 ㎩·s 이상 300 ㎩·s 이하로 되어 있다.
Ag 분말은, 그 입경이 0.05 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 이하로 되어 있고, 본 실시형태에서는 평균 입경 0.8 ㎛ 인 것을 사용하였다.
용제는 비점이 200 ℃ 이상인 것이 바람직하며, 예를 들어, α-테르피네올, 부틸카르비톨아세테이트, 디에틸렌글리콜디부틸에테르 등을 적용할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는 디에틸렌글리콜디부틸에테르를 사용하고 있다.
수지는 Ag 페이스트의 점도를 조정하는 것으로, 500 ℃ 이상에서 분해되는 것이 바람직하며, 예를 들어, 아크릴 수지, 알키드 수지 등을 적용할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는 에틸셀룰로오스를 사용하고 있다.
또, 본 실시형태에서는 디카르복실산계의 분산제를 첨가하고 있다. 또한, 분산제를 첨가하지 않고 Ag 페이스트를 구성해도 된다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (310) 과 히트 싱크 (30) 를 적층시키고, 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 ㎏f/㎠) 한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다. 이로써, 파워 모듈용 기판 (310) 의 완충층 (313) 과 히트 싱크 (30) 사이에 용융 금속 영역을 형성한다.
이 용융 금속 영역은, Ag 층 (356) 의 Ag 가 완충층 (313) 측 및 히트 싱크 (30) 측으로 확산됨으로써, 완충층 (313) 및 히트 싱크 (30) 의 Ag 층 (356) 근방의 Ag 농도가 상승하여 융점이 낮아짐으로써 형성되는 것이다.
또한, 상기 서술한 압력이 1 ㎏f/㎠ 미만인 경우에는, 파워 모듈용 기판 (310) 의 완충층 (313) 과 히트 싱크 (30) 의 접합을 양호하게 실시할 수 없게 될 우려가 있다. 또, 상기 서술한 압력이 35 ㎏f/㎠ 를 초과한 경우에는, 히트 싱크 (30) 가 변형될 우려가 있다. 따라서, 상기 서술한 가압 압력은 1 ∼ 35 ㎏f/㎠ 의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
여기서, 본 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 ㎩ 이상 10-3 ㎩ 이하의 범위 내로, 가열 온도는 600 ℃ 이상 630 ℃ 이하의 범위 내로 하고 있다.
다음으로, 용융 금속 영역이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지해 둔다. 그러면, 용융 금속 영역 중의 Ag 가 더욱 완충층 (313) 측 및 히트 싱크 (30) 측으로 확산되어 간다. 이로써, 용융 금속 영역이었던 부분의 Ag 농도가 서서히 저하되어 가고 융점이 상승하여, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 간다. 요컨대, 히트 싱크 (30) 와 완충층 (313) 은, 이른바 확산 접합 (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding) 에 의해 접합되어 있다.
반도체 소자 접합 공정 S304 에 있어서는, 회로층 (312) (기판 본체 (320)) 의 일면에 배치 형성된 금속 스킨층 (312B) 의 표면에 Ni 막을 형성한다. 이 Ni 막 상에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 재치하고, 환원로 내에 있어서 땜납 접합시킨다.
이로써, 땜납층 (2) 을 개재하여 반도체 소자 (3) 가 파워 모듈용 기판 (310) 상에 접합되고, 본 실시형태인 파워 모듈 (301) 이 제출된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (310), 파워 모듈 (301) 에 의하면, 반도체 소자 (3) 가 땜납 접합되는 회로층 (312) (기판 본체 (320)) 이, 금속기 복합판 (352) 이 되어 있기 때문에, 회로층 (312) (기판 본체 (320)) 의 열팽창 계수가, 반도체 소자 (3) 의 열팽창 계수와 근사해져, 땜납층 (2) 에 있어서의 크랙의 발생을 억제할 수 있다.
또, 회로층 (312) 의 열팽창 계수가, 세라믹스 기판 (315) 의 열팽창 계수에도 근사해지기 때문에, 세라믹스 기판 (315) 과 회로층 (312) (기판 본체 (320)) 의 접합 신뢰성을 향상시키는 것이 가능해진다.
특히, 본 실시형태에서는, 회로층 (312) (기판 본체 (320)) 을 구성하는 금속기 복합판 (352) 으로서, 탄소질 부재에 알루미늄을 충전한 알루미늄-그래파이트 복합 재료를 사용하고 있고, 열팽창 계수가 3.5 × 10-6/℃ 이상 15 × 10-6/℃ 이하의 범위 내로 되어 있기 때문에, 땜납층 (2) 에 있어서의 크랙의 발생을 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 회로층 (312) (기판 본체 (320)) 을 구성하는 금속기 복합판 (352) 은, 탄소질 부재에 알루미늄을 충전한 구조로 되어 있기 때문에, 도전성이 확보되게 된다. 따라서, 땜납층 (2) 을 개재하여 반도체 소자 (3) 와 전기적으로 접속시킬 수 있다.
또, 회로층 (312) (기판 본체 (320)) 의 일면에 금속 스킨층 (312B) 이 형성되어 있기 때문에, 금속 스킨층 (312B) 의 표면에 Ni 막을 형성함으로써, 땜납층 (2) 을 개재하여 반도체 소자 (3) 를 양호하게 접합시킬 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 회로층 (312) (기판 본체 (320)) 의 타면에도 금속 스킨층 (312B) 이 형성되어 있기 때문에, 세라믹스 기판 (315) 과의 접합도 양호하게 실시할 수 있다.
본 실시형태에서는, 금속 스킨층 (312B) 의 두께가 10 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하로 설정되어 있기 때문에, 회로층 (312) (기판 본체 (320)) 과 반도체 소자 (3) 의 접합 신뢰성을 확실하게 향상시킬 수 있으며, 열 저항의 상승을 억제할 수 있다. 또, 금속 스킨층 (312B) 이 본체층 (312A) 으로부터 박리되는 것이 방지된다.
또한, 본 실시형태에서는, 회로층 (312) (기판 본체 (320)) 에 있어서 금속기 복합판 (352) 의 고열전도율 방향이 두께 방향에 대해 직교하는 방향을 향하도록 배치되어 있기 때문에, 반도체 소자 (3) 에서 발생한 열을 판면 방향으로 확산시킬 수 있어 효율적으로 열을 방산시킬 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (315) 의 타방의 면에 4N 알루미늄으로 이루어지는 완충층 (313) 이 형성되어 있기 때문에, 세라믹스 기판 (315) 과 히트 싱크 (30) 의 열팽창 계수의 차이에서 기인하는 열 응력을 흡수할 수 있어, 파워 모듈 (301) 의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명하였는데, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니며, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
예를 들어, 제 1 ∼ 제 3 실시형태에 있어서, 절연층을 수지로 구성한 것으로 설명하였는데, 이것에 한정되는 것은 아니며, 제 4 실시형태에 나타내는 바와 같이 절연층을 세라믹스로 구성해도 된다.
금속기 복합 재료를 탄소질 부재 중에 알루미늄을 충전한 알루미늄-그래파이트 복합 재료로서 설명하였는데, 이것에 한정되는 것은 아니며, 알루미늄 합금, 구리 및 구리 합금 등의 다른 금속을 충전한 것이어도 된다.
제 1 ∼ 제 3 실시형태에 있어서는, 기판 본체의 일방의 면에 금속 스킨층을 형성한 것으로 설명하였는데, 이것에 한정되는 것은 아니며, 기판 본체의 타방의 면에 금속 스킨층을 형성해도 된다. 예를 들어, Al 로 이루어지는 금속 스킨층을 개재하여 수지 재료를 접합시키는 경우에는, 금속 스킨층의 표면에 알루마이트 처리를 실시함으로써, 수지 재료와 기판 본체의 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
또, 탄소질 부재로서, 흑연판 (흑연 부재) 을 사용한 것으로서 설명하였는데, 이것에 한정되는 것은 아니며, 탄화규소 (SiC) 나 다이아몬드 등으로 구성된 탄소질 부재여도 된다.
또한, 금속 스킨층을 금속기 복합판 중에 충전된 알루미늄을 삼출시켜 형성하는 것으로서 설명하였는데, 이것에 한정되는 것은 아니며, 기판 본체를 형성할 때에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등의 판재를 협지판 사이에 끼워 넣어, 금속 스킨층을 형성해도 된다.
또한, 히트 싱크 (천판부) 를 A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성한 것으로서 설명하였는데, 이것에 한정되는 것은 아니며, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등의 다른 금속 등으로 구성되어 있어도 된다. 또한, 히트 싱크로서 핀을 갖는 것으로 설명하였는데, 히트 싱크의 구조에 특별히 한정은 없다.
또, 제 2, 제 3 실시형태에 있어서, 금속기 복합판을 3 장 혹은 2 장 적층하여 기판 본체를 구성하는 것으로서 설명하였는데, 이것에 한정되는 것은 아니며, 4 장 이상의 금속기 복합판을 적층하여 기판 본체를 구성해도 된다.
또한, 적층된 금속기 복합판을 각각 동일 두께가 되도록 구성한 것으로서 설명하였는데, 이것에 한정되는 것은 아니며, 하나의 금속기 복합판의 두께와 다른 금속기 복합판의 두께를 서로 상이하도록 구성해도 된다. 이 경우, 두껍게 형성된 금속기 복합판의 고열전도율 방향을 향하게 하여 열이 확산되기 쉬워진다. 따라서, 적층된 금속기 복합판의 두께를 제어함으로써, 기판 본체의 열전도율의 이방성을 조정하는 것이 가능해진다.
제 4 실시형태에 있어서, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판을 사용한 것으로 설명하였는데, 이것에 한정되는 것은 아니며, Si3N4, Al2O3 등의 다른 세라믹스 재료여도 된다.
제 4 실시형태에 있어서, 금속기 복합판과 세라믹스 기판을 Al-Si 계의 납재를 사용한 납땜에 의해 접합시키는 구성으로서 설명하였는데, 이것에 한정되는 것은 아니다. Al-Si 계 이외의 납재를 사용해도 된다. 또, Cu, Ag, Si, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 사용하여 액상 확산 접합시켜도 된다. 또, Ag 분말을 함유하는 Ag 페이스트를 소성한 Ag 소결층을 개재하여 금속기 복합판과 세라믹스 기판을 접합시켜도 된다.
또한, 제 4 실시형태에 있어서 파워 모듈용 기판과 히트 싱크와의 접합을, Ag 를 사용한 액상 확산 접합에 의해 접합하는 구성으로서 설명하였는데, 이것에 한정되는 것은 아니다. Cu, Ag, Si, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 사용하여 액상 확산 접합시켜도 된다. 또, 납재를 개재하여 접합시켜도 된다. 또, Ag 분말을 함유하는 Ag 페이스트를 소성한 Ag 소결층을 개재하여 금속기 복합판과 세라믹스 기판을 접합시켜도 된다. 또한, 땜납재를 개재하여 접합시켜도 된다.
실시예
다음으로, 본 발명의 효과를 확인하기 위해 실시한 확인 실험의 결과에 대해 설명한다.
(실시예 1)
압출법으로 제조한 흑연 부재를, 압출 방향이 판두께 방향이 되도록 절단하여 흑연판을 준비하였다. 이들을 몰드 내에 세트하고, 순알루미늄 또는 순구리의 용탕을 부은 후, 고압을 가함으로써 금속기 복합판 (알루미늄-그래파이트 복합재 또는 구리-그래파이트 복합재) 을 제조하였다. 또, SiC 판을 준비하여 순알루미늄 또는 순구리의 용탕을 부은 후, 고압을 가함으로써 금속기 복합판 (알루미늄-SiC 복합재 또는 구리-SiC 복합재) 을 제조하였다.
이와 같이 하여 제조된 알루미늄-그래파이트 복합재의 열전도율을, 레이저 플래시법으로 판두께 방향에 평행 방향과 수직 방향에서 측정하였다. 그 결과, 판두께 방향에서 422 W/m·K, 수직 방향에서 241 W/m·K 였다.
구리-그래파이트 복합재의 열전도율을, 레이저 플래시법으로 판두께 방향에 평행 방향과 수직 방향에서 측정하였다. 그 결과, 판두께 방향에서 530 W/m·K, 수직 방향에서 342 W/m·K 였다.
알루미늄-SiC 복합재의 열전도율을, 레이저 플래시법으로 판두께 방향에 평행 방향과 수직 방향에서 측정하였다. 그 결과, 판두께 방향에서 180 W/m·K, 수직 방향에서 178 W/m·K 였다.
구리-SiC 복합재의 열전도율을, 레이저 플래시법으로 판두께 방향에 평행 방향과 수직 방향에서 측정하였다. 그 결과, 판두께 방향에서 221 W/m·K, 수직 방향에서 219 W/m·K 였다.
이들 금속기 복합판을 사용하여 평균 열팽창 계수, 열 저항, 땜납 크랙에 대해 평가하였다.
상기 서술한 금속기 복합판에 절연층을 형성하여, 표 1 에 나타내는 치수의 파워 모듈용 기판을 제출하였다. 이 파워 모듈용 기판의 열팽창 계수를 RT ∼ 200 ℃ 에서 측정하여, 평균 열팽창 계수를 산출하였다.
다음으로, 열 저항 Rth 는, 표 1 에 나타내는 파워 모듈용 기판에 Sn-Ag-Cu 로 이루어지는 땜납재를 개재하여 가로세로 10 ㎜ 의 실리콘 칩을 접합하고, 이 실리콘 칩을 발열시켜 온도 측정을 실시하여, 기판 본체 상면과 절연층 하면의 열 저항을 이하의 식으로 산출하였다.
Rth ＝ (Tj － Ta)/Q
Tj : 실리콘 칩 온도, Ta : 절연층 하면의 온도, Q (W) : 반도체 칩 발열량
땜납 크랙에 대해서는, 상기 서술한 파워 모듈용 기판을 온도 사이클 －40 ℃ ∼ 125 ℃ × 3000 회 (냉매) 후에, 실리콘 칩 하측 땜납부를 단면 관찰하여, 크랙의 진전 정도를 평가하였다 (○ : 단부로부터의 크랙 진전 길이가 0.5 ㎜ 이하, △ : 단부로부터의 크랙 진전 길이가 0.5 ㎜ 초과하지만 실용상 문제 없음).
평가 결과를 표 1 에 나타낸다.
Figure 112012061665663-pct00001
표 1 에 나타내는 바와 같이, 기판 본체의 열팽창 계수가 구리나 알루미늄에 비해 작아져 있는 것이 확인된다. 또, 열 저항도 비교적 작아, 효율적으로 열을 전달하는 것이 가능하다는 것이 확인된다.
특히, 기판 본체의 두께 ts (㎜) 와 기판 본체의 면적 S (㎟) 와 반도체 소자의 접합 면적 S0 (㎟) 의 관계가 0.003 ≤ ts/(S － S0) ≤ 0.015 의 범위 내로 된 본 발명예 1-9 에 있어서는, 열 저항이 더욱 낮아져 있다.
(실시예 2)
압출법으로 제조한 흑연 부재를 절단하여, 압출 방향이 두께 방향을 향하는 흑연판 및 압출 방향이 두께 방향과 직교하는 방향을 향하는 흑연판을 준비하였다.
이들 흑연판을 복수 장 준비하여, 각각의 압출 방향이 서로 직교하도록 적층시켰다. 흑연판의 적층체를 몰드 내에 세트하고, 순알루미늄 또는 순구리의 용탕을 부은 후, 고압을 가함으로써 금속기 복합판 (알루미늄-그래파이트 복합재 또는 구리-그래파이트 복합재) 을 제조하였다. 이와 같이 하여, 표 2 에 나타내는 바와 같이, 고열전도 방향이 배치된 복수 장의 금속기 복합판으로 이루어지는 기판 본체를 제출하였다. 또한, 표 2 에 있어서의 X, Y, Z 방향은, 도 7 에 나타낸 것과 동일하다.
이들 기판 본체를 사용하여 평균 열팽창 계수, 열 저항, 땜납 크랙에 대해 평가하였다.
평균 열팽창 계수는, 가로세로 50 ㎜ 의 기판 본체를 RT ∼ 200 ℃ 에서 측정하여, 평균 열팽창 계수를 산출하였다.
열 저항 Rth 는 다음과 같이 하여 평가하였다. 먼저, 기판 본체의 타방의 면에 표 2 에 나타내는 절연층을 형성한 파워 모듈용 기판을 제출하였다. 이 파워 모듈용 기판에 Sn-Ag-Cu 로 이루어지는 땜납재를 개재하여 가로세로 10 ㎜ 의 실리콘 칩을 접합하고, 이 실리콘 칩을 발열시켜 온도 측정을 실시하여, 실시예와 동일한 순서로 열 저항을 산출하였다.
땜납 크랙에 대해서는, 실시예 1 과 동일한 순서로 평가하였다.
평가 결과를 표 2 에 나타낸다.
Figure 112012061819945-pct00024
표 2 에 나타내는 바와 같이, 기판 본체의 열팽창 계수가 구리나 알루미늄에 비해 작아져 있는 것이 확인된다. 또, 열 저항이 비교적 작아, 효율적으로 열을 전달하는 것이 가능하다는 것이 확인된다.
(실시예 3)
AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층을 형성하고, 또한 세라믹스 기판의 타방의 면에 완충층을 형성하였다. 또한, 세라믹스 기판은 50 ㎜ × 50 ㎜ × 0.635 ㎜ 로 하고, 회로층 및 완충층은 47 ㎜ × 47 ㎜ × 0.6 ㎜ 로 하였다.
또한, 회로층, 완충층은 표 3 에 나타내는 재질의 금속판 혹은 금속기 복합판을 사용하였다. 또, 회로층, 완충층과 세라믹스 기판의 접합은, Al-7.5 질량％ Si 박 (두께 15 ㎛) 을 사용하여 진공 중 (10-5 Torr), 650 ℃ 에서 75 ㎏ 의 하중을 가하여 실시하였다.
또, 히트 싱크로서 60 ㎜ × 70 ㎜ × 5 ㎜ 의 알루미늄판을 준비하여, 히트 싱크와 파워 모듈용 기판을 접합하였다. 히트 싱크와 파워 모듈용 기판의 접합은, Al-10 질량％ Si 박 (두께 30 ㎛) 을 사용하여 진공 중 (10-5 Torr), 610 ℃ 에서 100 ㎏ 의 하중을 가하여 실시하였다.
이 히트 싱크에, 냉각 매체가 유통되는 유로를 구비한 냉각기를 접합하였다. 핀은 세라믹스 기판과 같은 치수의 콜게이트 오프셋 핀 (피치 : 3.0 ㎜, 높이 : 3.2 ㎜, 핀 두께 : 0.2 ㎜, 핀 길이 : 1.0 ㎜, 재질 : A3003) 을 진공 납땜으로 접합하였다.
평가로서, 파워 사이클 시험과 냉열 사이클 시험을 실시하여, 파워 사이클 및 냉열 사이클 부하시의 열 저항의 변화를 평가하였다.
열 저항은 다음과 같이 하여 측정하였다. 히터 칩을 100 W 의 전력으로 가열하고, 열전쌍을 사용하여 히터 칩의 온도를 실측하였다. 또, 히트 싱크를 유통하는 냉각 매체 (에틸렌글리콜 : 물 ＝ 1 : 1) 의 온도를 실측하였다. 그리고, 히터 칩의 온도와 냉각 매체의 온도 차이를 전력으로 나눈 값을 열 저항으로 하였다.
파워 사이클은, 히터 칩에 15 V, 150 A 의 통전 조건으로, 통전 시간 2 초, 냉각 시간 8 초를 반복 실시하고, 히터 칩의 온도를 30 ℃ 내지 130 ℃ 의 범위에서 변화시켰다. 이 파워 사이클을 10만회 실시한 후, 열 저항을 측정하였다. 파워 사이클 후의 열 저항의 초기 열 저항에 대한 상승률을 평가하였다.
냉열 사이클은, 에스펙 주식회사 제조 TSB-51 을 사용하고, 액상으로서 플루오리너트 (스미토모 3M 주식회사 제조) 를 사용하여 실시하였다. －40 ℃ × 5 분 ←→ 125 ℃ × 5 분을 1 사이클로 하여 2000 사이클 실시한 후, 열 저항을 측정하였다. 냉열 사이클 후의 열 저항의 초기 열 저항에 대한 상승률을 평가하였다.
평가 결과를 표 3 에 나타낸다.
Figure 112012061819945-pct00025
순도가 99.99 질량％ 이상으로 된 4N 알루미늄판에 의해 회로층을 형성한 비교예 201 ∼ 204 에 있어서는, 파워 사이클 부하 후의 열 저항의 상승률이 높아져 있는 것이 확인된다. 이것은, 땜납층에 크랙이 발생했기 때문인 것으로 추측된다.
이에 반해, 금속기 복합판에 의해 회로층을 형성한 본 발명예 201 ∼ 207 에 있어서는, 파워 사이클 부하 후의 열 저항이 억제되어 있다. 땜납층에 있어서의 크랙의 발생이 억제되었기 때문인 것으로 추측된다.
또, 금속 스킨층을 형성하고, 또한 금속 스킨층의 두께를 10 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하로 한 본 발명예 202, 203, 205 에 대해서는, 냉열 사이클 후의 열 저항의 상승률이 억제되어 있는 것이 확인된다.
산업상 이용가능성
본 발명에 의하면, 반도체 소자로부터 발생한 열을 효율적으로 방산시킬 수 있고, 냉열 사이클을 부하시킨 경우라도 반도체 소자와의 사이에 끼워 장착된 땜납층에 있어서의 크랙의 발생을 억제할 수 있다.
1, 101, 201, 301 : 파워 모듈
2 : 땜납층
3 : 반도체 소자
10, 110, 210, 310 : 파워 모듈용 기판
15, 115, 215 : 절연층
20, 120, 220, 320 : 기판 본체
5, 125, 225, 312B : 금속 스킨층
315 : 세라믹스 기판 (절연층)

Claims (16)

  1. 판상을 이루는 기판 본체의 일방의 면이, 반도체 소자가 탑재되는 탑재면이 되고, 상기 기판 본체의 타방의 면측에 절연층이 형성되어 이루어지는 파워 모듈용 기판으로서,
    상기 기판 본체는, 탄소질 부재 중에 금속이 충전된 금속기 복합 재료로 이루어지는 금속기 복합판으로 구성되어 있고,
    상기 기판 본체는, 탄소질 부재 중에 금속이 충전된 금속기 복합 재료로 이루어지는 금속기 복합판이 복수 적층되어 이루어지고,
    이 금속기 복합 재료는, 일방향에 있어서의 열전도율이 타방향에 있어서의 열전도율보다 높아지도록 이방성을 갖고 있고,
    상기 기판 본체에 있어서, 하나의 금속기 복합판에 있어서의 고열전도율 방향과, 다른 금속기 복합판에 있어서의 고열전도율 방향이 서로 상이하도록 구성되어 있고,
    상기 기판 본체에 있어서는, 3 장의 금속기 복합판이 적층되어 있고,
    제 1 금속기 복합판의 고열전도율 방향과, 제 2 금속기 복합판의 고열전도율 방향과, 제 3 금속기 복합판의 고열전도율 방향이 서로 직교하도록 배치되어 있는 파워 모듈용 기판.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 본체에 있어서, 하나의 금속기 복합판에 있어서의 고열전도율 방향이 상기 기판 본체의 두께 방향을 향하도록 구성되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 금속기 복합판과, 상기 제 2 금속기 복합판과, 상기 제 3 금속기 복합판이 각각 동일한 두께로 구성되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 본체의 열팽창 계수가 8 × 10-6/℃ 이하로 되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속기 복합판에 있어서의 고열전도율 방향의 열전도율이 400 W/m·K 이상으로 되어 있고, 이 고열전도율 방향에 직교하는 방향의 열전도율이 200 W/m·K 이상으로 되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속기 복합 재료가, 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 탄소질 부재 중에 충전되어 이루어지는 알루미늄기 복합 재료인, 파워 모듈용 기판.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속기 복합 재료가, 구리 또는 구리 합금이 탄소질 부재 중에 충전되어 이루어지는 구리기 복합 재료인, 파워 모듈용 기판.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 본체의 일방의 면측에는, 상기 금속기 복합 재료에 있어서 탄소질 부재 중에 충전된 금속으로 이루어지는 스킨층이 형성되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  14. 제 1 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 상기 파워 모듈용 기판의 상기 기판 본체의 일방의 면 상에 탑재되는 반도체 소자를 구비한 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  15. 삭제
  16. 삭제
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