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KR101722893B1 - Ｃｕ/세라믹스 접합체, Ｃｕ/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및 파워 모듈용 기판 - Google Patents

Ｃｕ/세라믹스 접합체, Ｃｕ/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및 파워 모듈용 기판 Download PDF

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KR101722893B1
KR101722893B1 KR1020167003534A KR20167003534A KR101722893B1 KR 101722893 B1 KR101722893 B1 KR 101722893B1 KR 1020167003534 A KR1020167003534 A KR 1020167003534A KR 20167003534 A KR20167003534 A KR 20167003534A KR 101722893 B1 KR101722893 B1 KR 101722893B1
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KR
South Korea
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substrate
copper
ceramics
temperature
compound layer
Prior art date
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KR1020167003534A
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English (en)
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KR20160064071A (ko
Inventor
노부유키 데라사키
요시유키 나가토모
Original Assignee
미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 filed Critical 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 Cu/세라믹스 접합체는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, AlN 또는 Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 부재가, Ag 및 Ti 를 함유하는 접합재를 사용하여 접합된 Cu/세라믹스 접합체로서, 상기 구리 부재와 세라믹스 부재의 접합 계면에는, Ti 질화물 또는 Ti 산화물로 이루어지는 Ti 화합물층이 형성되어 있고, 이 Ti 화합물층 내에 Ag 입자가 분산되어 있다.

Description

Ｃｕ/세라믹스 접합체, Ｃｕ/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및 파워 모듈용 기판{CU/CERAMIC MATERIAL JOINT, METHOD FOR MANUFACTURING CU/CERAMIC MATERIAL JOINT, AND SUBSTRATE FOR POWER MODULE}
이 발명은, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, AlN 또는 Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 부재가 접합되어 이루어지는 Cu/세라믹스 접합체, 이 Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및 이 Cu/세라믹스 접합체로 이루어지는 파워 모듈용 기판에 관한 것이다.
본원은, 2013년 9월 30일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2013-204060호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
LED 나 파워 모듈 등의 반도체 장치는, 도전 재료로 이루어지는 회로층 위에 반도체 소자가 접합된 구조를 구비한다.
풍력 발전, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등을 제어하기 위해서 사용되는 대전력 제어용 파워 반도체 소자는 발열량이 많다. 이 때문에, 이와 같은 파워 반도체 소자를 탑재하는 기판으로서, 예를 들어 AlN (질화알루미늄), Al2O3 (알루미나) 등으로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 도전성이 우수한 금속판을 접합하여 형성한 회로층을 구비한 파워 모듈용 기판이 종래부터 널리 사용되고 있다. 또한, 파워 모듈용 기판으로는, 세라믹스 기판의 타방의 면에 금속판을 접합하여 금속층이 형성된 것도 제공되고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에는, 회로층 및 금속층을 구성하는 제 1 금속판 및 제 2 금속판을 구리판으로 하고, 이 구리판을 DBC 법에 의해 세라믹스 기판에 직접 접합한 파워 모듈용 기판이 제안되어 있다. 이 DBC 법은, 구리와 구리 산화물의 공정 (共晶) 반응을 이용함으로써, 구리판과 세라믹스 기판의 계면에 액상을 발생시켜 구리판과 세라믹스 기판을 접합하고 있다.
또, 특허문헌 2 에는, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, 구리판을 접합함으로써 회로층 및 금속층을 형성한 파워 모듈용 기판이 제안되어 있다. 이 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, Ag-Cu-Ti 계 납재 (蠟材) 를 개재시켜 구리판을 배치한 상태에서, 가열 처리를 실시함으로써 구리판이 접합되어 있다 (소위 활성 금속 납땜법). 이 활성 금속 납땜법에서는, 활성 금속인 Ti 가 함유된 납재를 사용하고 있기 때문에, 용융된 납재와 세라믹스 기판의 젖음성이 향상되어, 세라믹스 기판과 구리판이 양호하게 접합된다.
일본 공개특허공보 평04-162756호 일본 특허공보 제3211856호
그러나, 특허문헌 1 에 개시되어 있는 바와 같이, DBC 법에 의해 세라믹스 기판과 구리판을 접합하는 경우에는, 접합 온도를 1065 ℃ 이상 (구리와 구리 산화물의 공정점 온도 이상) 으로 할 필요가 있다. 이 때문에, DBC 법에서는, 접합시에 세라믹스 기판이 열화될 우려가 있었다.
또, 특허문헌 2 에 개시되어 있는 바와 같이, 활성 금속 납땜법에 의해 세라믹스 기판과 구리판을 접합하는 경우에는, 접합 온도를 900 ℃ 로 비교적 고온으로 할 필요가 있다. 이 때문에, 활성 금속 납땜법에 있어서도, 세라믹스 기판이 열화된다는 문제가 있었다. 여기서, 접합 온도를 저하시키면 납재가 세라믹스 기판과 충분히 반응하지 않아, 세라믹스 기판과 구리판의 계면에서의 접합률이 저하되어, 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판을 제공할 수 없다.
이 발명은, 상기 서술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합된 Cu/세라믹스 접합체, 이 Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및 이 Cu/세라믹스 접합체로 이루어지는 파워 모듈용 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 과제를 해결하고, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1 양태에 관련된 Cu/세라믹스 접합체는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, AlN 또는 Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 부재가, Ag 및 Ti 를 함유하는 접합재를 사용하여 접합된 Cu/세라믹스 접합체로서, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면에는 Ti 질화물 또는 Ti 산화물로 이루어지는 Ti 화합물층이 형성되어 있고, 이 Ti 화합물층 내에 Ag 입자가 분산되어 있다.
이 구성의 Cu/세라믹스 접합체에 있어서는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, AlN 또는 Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 부재가, Ag 및 Ti 를 함유하는 접합재를 사용하여 접합되어 있고, 구리 부재와 세라믹스 부재의 접합 계면에 Ti 화합물층이 형성된 구조를 구비한다. 여기서, 세라믹스 부재가 AlN 으로 구성되어 있는 경우에는 구리 부재와 세라믹스 부재의 접합 계면에 Ti 질화물 로 이루어지는 Ti 화합물층이 형성되어 있다. 또, 세라믹스 부재가 Al2O3 으로 구성되어 있는 경우에는 구리 부재와 세라믹스 부재의 접합 계면에 Ti 산화물로 이루어지는 Ti 화합물층이 형성된다. 이들 Ti 화합물층은, 접합재의 Ti 와 세라믹스 부재 중의 산소 또는 질소가 반응함으로써 형성된다.
그리고, 본 발명의 제 1 양태에 관련된 Cu/세라믹스 접합체는, 이 Ti 화합물층 내에 Ag 입자가 분산되어 있다. 이 Ag 입자는, Ag 와 Al 의 공정 반응에 의해 발생한 액상 중에 있어서, Ti 와 질소 또는 산소가 반응하여 상기 서술한 Ti 화합물층이 형성되는 과정에서 생성된 것으로 추측된다. 즉, Ag 와 Al 의 공정점 온도 (567 ℃) 이상의 저온 조건에서 유지함으로써 Ti 화합물이 생성되기 쉬워, 상기 서술한 Ti 화합물층이 충분히 형성된다. 이 결과, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합된 Cu/세라믹스 접합체를 얻을 수 있다.
여기서, 본 발명의 제 1 양태에 관련된 Cu/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 Ti 화합물층 중 상기 세라믹스 부재와의 계면으로부터 500 ㎚ 까지의 계면 근방 영역에 있어서의 Ag 농도가 0.3 원자％ 이상으로 되어 있어도 된다.
이 경우, Ti 화합물층에 Ag 입자가 충분히 분산되어 있게 되고, Ti 화합물의 생성이 촉진되어 Ti 화합물층이 충분히 형성된다. 이 결과, 구리 부재와 세라믹스 부재가 강고하게 접합된다.
또, 본 발명의 제 1 양태에 관련된 Cu/세라믹스 접합체는, 상기 Ti 화합물층 내에 분산되는 상기 Ag 입자의 입경이 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있는 구성으로 되어도 된다.
이 경우, Ti 화합물층 내에 분산되는 Ag 입자는, 입경이 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하로 비교적 미세하고, Ti 와 질소 또는 산소가 반응하여 상기 서술한 Ti 화합물층이 형성되는 과정에서 생성된 것인 점에서, Ti 화합물의 생성이 촉진되어 Ti 화합물층이 충분히 형성된다. 이 결과, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합된 Cu/세라믹스 접합체를 얻는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명의 제 1 양태에 관련된 Cu/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 접합재는 추가로 Cu 를 함유하고 있고, 상기 Ti 화합물층 내에 Cu 입자가 분산되어 있는 구성으로 해도 된다.
이 경우, 접합재는, Ag 와 Ti 외에 Cu 도 함유하고 있고, Ti 화합물층 내에 Cu 입자가 분산되어 있기 때문에, 세라믹스 부재의 표면에 Ti 화합물층이 충분히 형성된다. 이 결과, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합된 Cu/세라믹스 접합체를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 2 양태에 관련된 Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법은, 상기 서술한 Cu/세라믹스 접합체를 제조하는 방법으로서, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에 Ag 및 Ti 를 함유하는 접합재를 개재시킨 상태에서, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 미만의 온도 범위에서 유지하는 저온 유지 공정과, 상기 저온 유지 공정 후, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 이상의 온도로 가열하여 상기 접합재를 용융시키는 가열 공정과, 상기 가열 공정 후, 냉각을 실시하여 용융된 상기 접합재를 응고시켜 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를 접합하는 냉각 공정을 구비하고 있다.
이 구성의 Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법에 의하면, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에 Ag 및 Ti 를 함유하는 접합재를 개재시킨 상태에서, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 미만의 온도 범위에서 유지하는 저온 유지 공정을 구비하고 있기 때문에, 이 저온 유지 공정에 의해, 구리 부재와 세라믹스 부재의 계면에 Al 과 Ag 의 공정 반응에 의한 액상이 발생한다. 이 반응에 사용되는 Al 은, 세라믹스 부재를 구성하는 AlN 또는 Al2O3 으로부터 공급되고, 접합재에 함유되는 Ti 와 질소 또는 산소가 반응함으로써, 세라믹스 부재의 표면에 Ti 화합물층이 형성된다. 또한, 이 과정에 있어서, Ti 화합물층 내에 Ag 입자가 분산된다.
여기서, 저온 유지 공정에 있어서의 유지 온도가 Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상으로 되어 있으므로, 구리 부재와 세라믹스 부재의 계면에 Al 과 Ag 의 공정 반응에 의한 액상을 확실하게 생성할 수 있다. 또, 저온 유지 공정에 있어서의 유지 온도가 Ag 와 Cu 의 공정점 온도 미만으로 되어 있으므로, Ag 가 Cu 와의 반응에 의해 소비되는 일 없이, Al 과 반응하는 Ag 를 확보할 수 있다. 이 결과, Al 과 Ag 의 공정 반응에 의한 액상을 확실하게 생성할 수 있다.
그리고, 이 저온 유지 공정 후, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 이상의 온도로 가열하여 상기 접합재를 용융시키는 가열 공정과, 냉각을 실시하여 용융된 상기 접합재를 응고시켜 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를 접합하는 냉각 공정을 구비하고 있다. 그 결과, 가열 공정에 있어서의 가열 온도를 저온 조건으로 하더라도, Ti 화합물층이 충분히 형성된 상태에서 접합재를 용융시키게 되어, 세라믹스 부재와 구리 부재를 확실하게 접합할 수 있다.
여기서, 본 발명의 제 2 양태에 관련된 Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법에 있어서는, 상기 저온 유지 공정에 있어서의 유지 시간이 30 분 이상 5 시간 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 저온 유지 공정에 있어서의 유지 시간이 30 분 이상으로 되어 있으므로, Ti 화합물층이 충분히 형성되고, 세라믹스 부재와 구리 부재를 확실하게 접합하는 것이 가능해진다.
한편, 저온 유지 공정에 있어서의 유지 시간이 5 시간 이하로 되어 있으므로, 에너지 소비량을 삭감할 수 있다.
또, 본 발명의 제 2 양태에 관련된 Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법에 있어서는, 상기 가열 공정에 있어서의 가열 온도가 790 ℃ 이상 830 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 가열 공정에 있어서의 가열 온도가 790 ℃ 이상 830 ℃ 이하로 비교적 저온으로 설정되어 있으므로, 접합시에 있어서의 세라믹스 부재에 대한 열 부하를 경감시킬 수 있고, 세라믹스 부재의 열화를 억제할 수 있다. 또, 상기 서술한 바와 같이, 저온 유지 공정을 갖고 있으므로, 가열 공정에 있어서의 가열 온도가 비교적 저온이어도, 세라믹스 부재와 구리 부재를 확실하게 접합할 수 있다.
본 발명의 제 3 양태에 관련된 파워 모듈용 기판은, AlN 또는 Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 기판의 일방의 면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합된 파워 모듈용 기판으로서, 상기 서술한 Cu/세라믹스 접합체로 구성되어 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 의하면, 상기 서술한 Cu/세라믹스 접합체로 구성되어 있기 때문에, 저온 조건에서 접합함으로써 세라믹스 기판에 대한 열 부하를 경감시킬 수 있고, 세라믹스 기판의 열화를 억제할 수 있다. 또, 저온 조건에서 접합한 경우여도, 세라믹스 기판과 구리판을 확실하게 접합시켜, 접합 신뢰성을 확보할 수 있다. 또한, 세라믹스 기판의 표면에 접합된 구리판은, 회로층 혹은 금속층으로서 사용된다.
본 발명에 의하면, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합된 Cu/세라믹스 접합체, 이 Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및 이 Cu/세라믹스 접합체로 이루어지는 파워 모듈용 기판을 제공하는 것이 가능해진다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 (구리 부재) 과 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) 의 접합 계면의 모식도이다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로도이다.
도 4 는 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 5 는 저온 유지 공정에 있어서의 Ti 화합물층의 형성 과정을 나타내는 모식 설명도이다.
도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 (구리 부재) 과 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) 의 접합 계면의 모식도이다.
도 8 은 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로도이다.
도 9 는 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 10 은 저온 유지 공정에 있어서의 Ti 화합물층의 형성 과정을 나타내는 모식 설명도이다.
도 11 은 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 12 는 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 (구리 부재) 과 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) 의 접합 계면의 모식도이다.
도 13 은 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로도이다.
도 14 는 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 15 는 저온 유지 공정에 있어서의 Ti 화합물층의 형성 과정을 나타내는 모식 설명도이다.
도 16 은 본 발명예 1 의 Cu/세라믹스 접합체에 있어서의 단면의 반사 전자 이미지이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
(제 1 실시형태)
먼저, 본 발명의 제 1 실시형태에 대해, 도 1 내지 도 5 를 참조하여 설명한다.
본 실시형태에 관련된 Cu/세라믹스 접합체는, 세라믹스 부재인 세라믹스 기판 (11) 과, 구리 부재인 구리판 (22) (회로층 (12)) 이 접합됨으로써 구성된 파워 모듈용 기판 (10) 을 구비하고 있다.
도 1 에, 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 및 이 파워 모듈용 기판 (10) 을 사용한 파워 모듈 (1) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (1) 은, 파워 모듈용 기판 (10) 과, 이 파워 모듈용 기판 (10) 의 일방측 (도 1 에 있어서 상측) 에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 파워 모듈용 기판 (10) 의 타방측 (도 1 에 있어서 하측) 에 배치된 히트 싱크 (51) 를 구비하고 있다.
여기서, 땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 되어 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (12) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 1 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (13) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 회로층 (12) 과 금속층 (13) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 본 실시형태에서는, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 여기서, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (22) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 을 구성하는 구리판 (22) 으로서 무산소동의 압연판이 사용되고 있다. 이 회로층 (12) 에는, 회로 패턴이 형성되어 있고, 그 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 이, 반도체 소자 (3) 가 탑재되는 탑재면으로 되어 있다. 여기서, 회로층 (12) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
금속층 (13) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 알루미늄판 (23) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 은, 순도가 99.99 mass％ 이상인 알루미늄 (이른바 4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 알루미늄판 (23) 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
또한, 이 알루미늄판 (23) 은, 0.2 ％ 내력이 30 N/㎟ 이하로 되어 있다. 여기서, 금속층 (13) (알루미늄판 (23)) 의 두께는 0.5 ㎜ 이상 6 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 2.0 ㎜ 로 설정되어 있다.
히트 싱크 (51) 는, 상기 서술한 파워 모듈용 기판 (10) 을 냉각시키기 위한 것으로, 파워 모듈용 기판 (10) 과 접합되는 천판부 (52) 와 냉각 매체 (예를 들어 냉각수) 를 유통시키기 위한 유로 (53) 를 구비하고 있다. 히트 싱크 (51) (천판부 (52)) 는, 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 본 실시형태에 있어서는, A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
이 히트 싱크 (51) (천판부 (52)) 는, 본 실시형태에 있어서는, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 에 납땜에 의해 직접 접합되어 있다.
여기서, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (구리판 (22)) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, Ag-Cu-Ti 계 납재 (24) 를 사용하여 접합되어 있다.
그리고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (구리판 (22)) 의 접합 계면에는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, TiN (질화티탄) 으로 이루어지는 Ti 화합물층 (31) 과 Ag-Cu 공정층 (32) 이 형성되어 있다. 또한, 바람직한 상기 Ag-Cu-Ti 계 납재 (24) 의 Cu 의 함유량은, 18 mass％ 이상 34 mass％ 이하, Ti 의 함유량은 0.3 mass％ 이상 7 mass％ 이하이지만, 이것에 한정되는 경우는 없다. 또, 본 실시형태에서는, Ag-Cu-Ti 계 납재 (24) 로서 박재를 사용하고, 두께는 3 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위 내로 설정하면 된다.
그리고, 이 Ti 화합물층 (31) 내에는, Ag 입자 (35) 가 분산되어 있다.
Ag 입자 (35) 는, Ti 화합물층 (31) 의 세라믹스 기판 (11) 측에 많이 분포되어 있고, Ti 화합물층 (31) 중 세라믹스 기판 (11) 과의 계면으로부터 500 ㎚ 까지의 계면 근방 영역 (31A) 에 있어서의 Ag 농도가 0.3 원자％ 이상, 바람직하게는 0.3 원자％ 이상 15 원자％ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, Ti 화합물층 (31) 내에서 관찰되는 Ag 입자 (35) 의 90 ％ 이상이, 상기 서술한 계면 근방 영역 (31A) 에 분포되어 있다. 또한, 상기 계면 근방 영역 (31A) 에 분포되는 Ag 입자 (35) 의 보다 바람직한 비율은 95 ％ 이상이고, 상한치는 100 ％ 이지만, 이것에 한정되는 경우는 없다.
또, 본 실시형태에서는, Ti 화합물층 (31) 내에 분산되는 Ag 입자 (35) 의 입경이 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, 상기 Ag 입자 (35) 의 입경은 10 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하의 범위 내로 설정되어도 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 이 Ti 화합물층 (31) 에는, Ag 입자 (35) 외에 Cu 입자 (36) 도 분산되어 있다.
다음으로, 상기 서술한 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법에 대해, 도 3 내지 도 5 를 참조하여 설명한다.
도 3 및 도 4 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (12) 이 되는 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 을 접합한다 (구리판 접합 공정 S01). 본 실시형태의 구리판 접합 공정 S01 에서는, 무산소동의 압연판으로 이루어지는 구리판 (22) 과 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (11) 을, Ag-Cu-Ti 계 납재 (24) 에 의해 접합한다. 이 구리판 접합 공정 S01 에 대해서는, 이후에 상세하게 설명한다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에, 금속층 (13) 이 되는 알루미늄판 (23) 을 접합한다 (알루미늄판 접합 공정 S02).
알루미늄판 접합 공정 S02 에서는, 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (23) 을, 납재 (25) 를 개재하여 적층하고, 적층 방향으로 가압함과 함께 진공로 내에 장입하여 납땜을 실시한다. 이로써, 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (23) 을 접합한다. 이 때, 납재 (25) 로는 예를 들어, Al-Si 계 납재박을 사용할 수 있고, 납땜 온도는 600 ∼ 650 ℃ 로 하는 것이 바람직하다.
이로써, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 이 제조된다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 의 타방의 면 (도 1 의 하측) 에, 히트 싱크 (51) 를 접합한다 (히트 싱크 접합 공정 S03).
히트 싱크 접합 공정 S03 에서는, 파워 모듈용 기판 (10) 과 히트 싱크 (51) 를, 납재 (26) 를 개재하여 적층하고, 적층 방향으로 가압함과 함께 진공로 내에 장입하여 납땜을 실시한다. 이로써, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 과 히트 싱크 (51) 의 천판부 (52) 를 접합한다. 이 때, 납재 (26) 로는, 예를 들어, 두께 20 ∼ 110 ㎛ 의 Al-Si 계 납재박을 사용할 수 있다. 납땜 온도는, 알루미늄 접합 공정 S02 에 있어서의 납땜 온도보다 저온으로 설정하는 것이 바람직하다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (10) 의 회로층 (12) 의 일방의 면에, 반도체 소자 (3) 를 납땜부에 의해 접합한다 (반도체 소자 탑재 공정 S04).
이상의 공정에 의해, 도 1 에 나타내는 파워 모듈 (1) 이 만들어진다.
여기서, 본 실시형태인 Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법이 되는 구리판 접합 공정 S01 에 대해 상세하게 설명한다.
구리판 접합 공정 S01 에서는, 먼저, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 Ag-Cu-Ti 계 납재 (24) 를 개재하여 회로층 (12) 이 되는 구리판 (22) 을 적층한다 (적층 공정 S11).
다음으로, 세라믹스 기판 (11) 및 구리판 (22) 을 적층 방향으로 0.5 ㎏f/㎠ 이상 35 ㎏f/㎠ 이하 (4.9 × 104 ㎩ 이상 343 × 104 ㎩ 이하) 의 범위에서 가압한 상태에서, 이들을 진공 또는 아르곤 분위기의 가열로 내에 장입하고 가열하여 유지한다 (저온 유지 공정 S12). 여기서, 저온 유지 공정 S12 에 있어서의 유지 온도는, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 미만의 온도 범위로 되어 있고, 구체적으로는 570 ℃ 이상 770 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또, 저온 유지 공정 S12 에 있어서의 유지 시간은, 30 분 이상 5 시간 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, 저온 유지 공정 S12 에 있어서의 유지 온도는, 590 ℃ 이상 750 ℃ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 또, 저온 유지 공정 S12 에 있어서의 유지 시간은, 60 분 이상 3 시간 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
이 저온 유지 공정 S12 에 있어서는, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상으로 온도를 유지하는 점에서, 도 5 에 나타내는 바와 같이, Ag-Cu-Ti 계 납재 (24) 중의 Ag 와, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (11) 과 Ti 의 반응에 의해 발생한 Al 이 공정 반응하여 액상 (38) 이 발생한다. 이 액상 (38) 중에 있어서, Ag-Cu-Ti 계 납재 (24) 중의 Ti 와 세라믹스 기판 (11) 중의 N (질소) 이 반응하여 TiN 이 생성된다. 이로써, 세라믹스 기판 (11) 의 표면이 침식되는 형태로, TiN 으로 이루어지는 Ti 화합물층 (31) 이 형성된다.
저온 유지 공정 S12 후, 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 을 가압한 상태에서, 이들을 진공 분위기의 가열로 내에서 가열하고, Ag-Cu-Ti 계 납재 (24) 를 용융시킨다 (가열 공정 S13). 여기서, 가열 공정 S13 에 있어서의 가열 온도는, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 이상으로 되어 있고, 구체적으로는 790 ℃ 이상 830 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또, 가열 공정 S13 에 있어서의 유지 시간은, 5 분 이상 60 분 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, 가열 공정 S13 에 있어서의 가열 온도는, 800 ℃ 이상 820 ℃ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 또, 가열 공정 S13 에 있어서의 유지 시간은, 10 분 이상 30 분 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
그리고, 가열 공정 S13 후, 냉각을 실시함으로써, 용융된 Ag-Cu-Ti 계 납재 (24) 를 응고시킨다 (냉각 공정 S14). 또한, 이 냉각 공정 S14 에 있어서의 냉각 속도는, 특별히 한정되지는 않지만, 2 ℃/min 이상 10 ℃/min 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 구리판 접합 공정 S01 은, 적층 공정 S11, 저온 유지 공정 S12, 가열 공정 S13, 냉각 공정 S14 에 의해 구성되어 있고, 세라믹스 부재인 세라믹스 기판 (11) 과 구리 부재인 구리판 (22) 이 접합된다.
그리고, TiN 으로 이루어지는 Ti 화합물층 (31) 내에, Ag 입자 (35) 및 Cu 입자 (36) 가 분산된다.
이상와 같은 구성으로 된 본 실시형태의 Cu/세라믹스 접합체 (파워 모듈용 기판 (10)) 에 의하면, 무산소동으로 이루어지는 구리판 (22) (회로층 (12)) 과 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (11) 이, Ag-Cu-Ti 계 납재 (24) 를 사용하여 접합되어 있고, 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면에 TiN 으로 이루어지는 Ti 화합물층 (31) 이 형성되고, 이 Ti 화합물층 (31) 내에 Ag 입자 (35) 및 Cu 입자 (36) 가 분산되어 있기 때문에, 접합시에 있어서 Ti 화합물층 (31) 이 충분히 형성된다. 이 결과, 구리판 (22) (회로층 (12)) 과 세라믹스 기판 (11) 이 확실하게 접합된 파워 모듈용 기판 (10) 을 얻을 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, Ti 화합물층 (31) 중 상기 서술한 계면 근방 영역 (31A) 에 있어서의 Ag 농도가 0.3 원자％ 이상으로 되어 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면에 Ti 화합물층 (31) 이 충분히 형성된다. 그 결과, 구리판 (22) (회로층 (12)) 과 세라믹스 기판 (11) 이 강고하게 접합된다.
또한, 본 실시형태에서는, Ti 화합물층 (31) 내에 분산되는 Ag 입자 (35) 는, 그 입경이 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내로 비교적 미세하고, Ti 와 N 이 반응하여 상기 서술한 Ti 화합물층 (31) 이 형성되는 과정에서 생성된 것으로 추측된다. 따라서, 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 Ti 화합물층 (31) 이 충분히 형성되어 있게 되어, 구리판 (22) (회로층 (12)) 과 세라믹스 기판 (11) 이 확실하게 접합된 파워 모듈용 기판 (10) 을 얻을 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 구리판 접합 공정 S01 이, 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 을, Ag-Cu-Ti 계 납재 (24) 를 개재하여 적층하는 적층 공정 S11 과, 적층한 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 을 적층 방향으로 가압한 상태에서, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 미만의 온도 범위에서 유지하는 저온 유지 공정 S12 와, 저온 유지 공정 S12 후, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 이상으로 가열하여 Ag-Cu-Ti 계 납재 (24) 를 용융시키는 가열 공정 S13 과, 가열 공정 S13 후, 냉각을 실시함으로써 용융된 Ag-Cu-Ti 계 납재 (24) 를 응고시키는 냉각 공정 S14 를 구비하고 있다. 이 때문에, 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 을 확실하게 접합할 수 있다.
즉, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 미만의 온도 범위에서 유지하는 저온 유지 공정 S12 는, 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 Al 과 Ag 의 공정 반응에 의한 액상 (38) 이 발생한다. 이 액상 (38) 중에 있어서 Ti 와 N 이 반응함으로써, 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 Ti 화합물층 (31) 이 형성된다. 또한, 이 과정에 있어서, Ti 화합물층 (31) 내에 Ag 입자 (35) 가 분산된다. 이로써, 가열 공정 S13 에 있어서의 가열 온도를 비교적 저온으로 설정한 경우여도, 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 을 확실하게 접합할 수 있다.
여기서, 본 실시형태에서는, 저온 유지 공정 S12 에 있어서의 유지 온도가 Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상으로 되고, 구체적으로는 570 ℃ 이상으로 되어 있다. 이 때문에, 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 Al 과 Ag 의 공정 반응에 의한 액상 (38) 을 확실하게 생성할 수 있다.
또, 저온 유지 공정 S12 에 있어서의 유지 온도가 Ag 와 Cu 의 공정점 온도 미만으로 되고, 구체적으로는 770 ℃ 미만으로 되어 있으므로, Ag 가 Cu 와의 반응에 의해 소비되는 일 없이, Al 과 반응하는 Ag 를 확보할 수 있다. 이 결과, Al 과 Ag 의 공정 반응에 의한 액상 (38) 을 확실하게 생성할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 저온 유지 공정 S12 에 있어서의 유지 시간이 30 분 이상으로 되어 있으므로, TiN 으로 이루어지는 Ti 화합물층 (31) 이 충분히 형성되고, 가열 공정 S13 에 있어서의 가열 온도를 비교적 저온으로 설정한 경우여도, 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 을 확실하게 접합할 수 있다. 또, 저온 유지 공정 S12 에 있어서의 유지 시간이 5 시간 이하로 되어 있으므로, 에너지 소비량을 삭감하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시형태에서는, 가열 공정 S13 에 있어서의 가열 온도가 790 ℃ 이상 830 ℃ 이하의 범위 내로 비교적 저온으로 설정되어 있으므로, 접합시에 있어서의 세라믹스 기판 (11) 에 대한 열 부하를 경감시킬 수 있고, 세라믹스 기판 (11) 의 열화를 억제할 수 있다. 또, 상기 서술한 바와 같이, 저온 유지 공정 S12 를 갖고 있으므로, 가열 공정 S13 에 있어서의 가열 온도가 비교적 저온이어도, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) 을 확실하게 접합할 수 있다.
(제 2 실시형태)
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해, 도 6 내지 도 10 을 참조하여 설명한다.
본 실시형태에 관련된 Cu/세라믹스 접합체는, 세라믹스 부재인 세라믹스 기판 (111) 과, 구리 부재인 구리판 (122) (회로층 (112)) 및 구리판 (123) (금속층 (113)) 이 접합됨으로써 구성된 파워 모듈용 기판 (110) 을 구비하고 있다.
도 6 에 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 및 이 파워 모듈용 기판 (110) 을 사용한 파워 모듈 (101) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (101) 은, 파워 모듈용 기판 (110) 과, 이 파워 모듈용 기판 (110) 의 일방측 (도 6 에 있어서 상측) 에 제 1 땜납층 (102) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (103) 와, 파워 모듈용 기판 (110) 의 타방측 (도 6 에 있어서 하측) 에 배치된 히트 싱크 (151) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (110) 은, 세라믹스 기판 (111) 과, 이 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면 (도 6 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (112) 과, 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면 (도 6 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (113) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (111) 은, 회로층 (112) 과 금속층 (113) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 본 실시형태에서는, 절연성이 높은 Al2O3 (알루미나) 으로 구성되어 있다. 여기서, 세라믹스 기판 (111) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (112) 은, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (122) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (112) 을 구성하는 구리판 (122) 으로서 터프 피치동의 압연판이 사용되고 있다. 이 회로층 (112) 에는, 회로 패턴이 형성되어 있고, 그 일방의 면 (도 6 에 있어서 상면) 이, 반도체 소자 (103) 가 탑재되는 탑재면으로 되어 있다. 여기서, 회로층 (112) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
금속층 (113) 은, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (123) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (113) 을 구성하는 구리판 (123) 으로서 터프 피치동의 압연판이 사용되고 있다. 여기서, 금속층 (113) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
히트 싱크 (151) 는, 상기 서술한 파워 모듈용 기판 (110) 을 냉각시키기 위한 것으로, 파워 모듈용 기판 (110) 과 접합되는 방열판 (152) 과, 이 방열판 (152) 에 적층 배치되는 냉각기 (153) 로 구성되어 있다.
방열판 (152) 은, 상기 서술한 파워 모듈용 기판 (110) 으로부터의 열을 면 방향으로 확산시키는 것으로, 열전도성이 우수한 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있다. 또한, 방열판 (152) 과 파워 모듈용 기판 (110) 의 금속층 (113) 은, 제 2 땜납층 (108) 을 개재하여 접합되어 있다.
냉각기 (153) 는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 냉각 매체 (예를 들어 냉각수) 를 유통시키기 위한 유로 (154) 를 구비하고 있다. 냉각기 (153) 는, 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 본 실시형태에 있어서는, A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
또한, 방열판 (152) 과 냉각기 (153) 는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 그리스층 (도시하지 않음) 을 개재하여 고정 나사 (156) 에 의해 체결되어 있다.
여기서, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (구리판 (122)), 및 세라믹스 기판 (111) 과 금속층 (113) (구리판 (123)) 은, 도 9 에 나타내는 바와 같이, Ag-Ti 계 납재 (124) 를 사용하여 접합되어 있다.
이 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (구리판 (122)) 의 접합 계면, 및 세라믹스 기판 (111) 과 금속층 (113) (구리판 (123)) 의 접합 계면에는, 도 7 에 나타내는 바와 같이, TiO2 (산화티탄) 로 이루어지는 Ti 화합물층 (131) 과, Ag-Cu 공정층 (132) 이 형성되어 있다. 또한, 바람직한 상기 Ag-Ti 계 납재 (124) 의 Ti 의 함유량은, 0.4 mass％ 이상 75 mass％ 이하이지만, 이것에 한정되는 경우는 없다. 또, 본 실시형태에서는 Ag-Ti 계 납재 (124) 로서 박재를 사용하고, 두께는 3 ㎛ 이상 25 ㎛ 이하의 범위 내로 설정하면 된다.
그리고, 이 Ti 화합물층 (131) 내에는, Ag 입자 (135) 가 분산되어 있다.
Ag 입자 (135) 는, Ti 화합물층 (131) 의 세라믹스 기판 (111) 측에 많이 분포되어 있고, Ti 화합물층 (131) 중 세라믹스 기판 (111) 과의 계면으로부터 500 ㎚ 까지의 계면 근방 영역 (131A) 에 있어서의 Ag 농도가 0.3 원자％ 이상, 바람직하게는 0.3 원자％ 이상 15 원자％ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, Ti 화합물층 (131) 내에서 관찰되는 Ag 입자 (135) 의 90 ％ 이상이, 상기 서술한 계면 근방 영역 (131A) 에 분포되어 있다. 또한, 상기 계면 근방 영역 (131A) 에 분포되는 Ag 입자 (135) 의 보다 바람직한 비율은 95 ％ 이상이고, 상한치는 100 ％ 이지만, 이것에 한정되는 경우는 없다.
또, 본 실시형태에서는, Ti 화합물층 (131) 내에 분산되는 Ag 입자 (135) 의 입경이 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, Ag 입자 (135) 의 입경은 10 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하의 범위 내로 설정되어도 된다.
다음으로, 상기 서술한 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 의 제조 방법에 대해, 도 8 내지 도 10 을 참조하여 설명한다.
도 8 및 도 9 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (112) 이 되는 구리판 (122) 과 세라믹스 기판 (111), 및 금속층 (113) 이 되는 구리판 (123) 과 세라믹스 기판 (111) 을 접합한다 (구리판 접합 공정 S101). 본 실시형태에서는, 터프 피치동의 압연판으로 이루어지는 구리판 (122, 123) 과 Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (111) 을 Ag-Ti 계 납재 (124) 에 의해 접합한다. 이 구리판 접합 공정 S101 에 대해서는, 이후에 상세하게 설명한다.
이 구리판 접합 공정 S101 에 의해, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 이 제조된다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (110) 의 금속층 (113) 의 타방의 면 (도 6 의 하측) 에 방열판 (152) 을 접합한다 (방열판 접합 공정 S102).
파워 모듈용 기판 (110) 과 방열판 (152) 을, 땜납재를 개재하여 적층하여 가열로에 장입하고, 파워 모듈용 기판 (110) 과 방열판 (152) 을 땜납 접합한다.
다음으로, 방열판 (152) 의 타방의 면 (도 6 의 하측) 에, 냉각기 (153) 를 배치 형성한다 (냉각기 배치 형성 공정 S103).
방열판 (152) 과 냉각기 (153) 사이에 그리스 (도시하지 않음) 를 도포하고, 방열판 (152) 과 냉각기 (153) 를 고정 나사 (156) 에 의해 연결한다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (110) 의 회로층 (112) 의 일방의 면에, 반도체 소자 (103) 를 납땜부에 의해 접합한다 (반도체 소자 탑재 공정 S104).
이상의 공정에 의해, 도 6 에 나타내는 파워 모듈 (101) 이 만들어진다.
여기서, 본 실시형태인 Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법이 되는 구리판 접합 공정 S101 에 대해 상세하게 설명한다.
구리판 접합 공정 S101 에서는, 먼저, 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면에 Ag-Ti 계 납재 (124) 를 개재하여 회로층 (112) 이 되는 구리판 (122) 을 적층함과 함께, 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면에 Ag-Ti 계 납재 (124) 를 개재하여 금속층 (113) 이 되는 구리판 (123) 을 적층한다 (적층 공정 S111).
다음으로, 구리판 (122), 세라믹스 기판 (111) 및 구리판 (123) 을 적층 방향으로 0.5 ㎏f/㎠ 이상 35 ㎏f/㎠ 이하 (4.9 × 104 ㎩ 이상 343 × 104 ㎩ 이하) 의 범위에서 가압한 상태에서, 이들을 진공 또는 아르곤 분위기의 가열로 내에 장입하고 가열하여 유지한다 (저온 유지 공정 S112). 여기서, 저온 유지 공정 S112 에 있어서의 유지 온도는, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 미만의 온도 범위로 되어 있고, 구체적으로는 570 ℃ 이상 770 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또, 저온 유지 공정 S112 에 있어서의 유지 시간은, 30 분 이상 5 시간 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, 저온 유지 공정 S112 에 있어서의 유지 온도는, 590 ℃ 이상 750 ℃ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 또, 저온 유지 공정 S112 에 있어서의 유지 시간은, 60 분 이상 3 시간 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
이 저온 유지 공정 S112 에 있어서는, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상으로 온도를 유지하는 점에서, 도 10 에 나타내는 바와 같이, Ag-Ti 계 납재 (124) 중의 Ag 와, Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (111) 과 Ti 의 반응에 의해 발생한 Al 이 공정 반응하여 액상 (138) 이 발생한다. 이 액상 (138) 중에 있어서, Ag-Ti 계 납재 (124) 중의 Ti 와 세라믹스 기판 (111) 중의 O (산소) 가 반응하여 TiO2 가 생성된다. 이로써, 세라믹스 기판 (111) 의 표면이 침식되는 형태로, TiO2 로 이루어지는 Ti 화합물층 (131) 이 형성된다.
저온 유지 공정 S112 후, 구리판 (122), 세라믹스 기판 (111) 및 구리판 (123) 을 가압한 상태에서, 이들을 진공 분위기의 가열로 내에서 가열하고, Ag-Ti 계 납재 (124) 를 용융시킨다 (가열 공정 S113). 이 때, 구리판 (122, 123) 으로부터, Ag-Ti 계 납재 (124) 로 Cu 가 공급되고, Ag 와 Cu 의 공정 반응에 의해 융점이 저하되고, Ag-Ti 계 납재 (124) 의 용융이 촉진된다. 여기서, 가열 공정 S113 에 있어서의 가열 온도는, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 이상으로 되어 있고, 구체적으로는 790 ℃ 이상 830 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또, 가열 공정 S113 에 있어서의 유지 시간은, 5 분 이상 60 분 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, 가열 공정 S113 에 있어서의 가열 온도는, 800 ℃ 이상 820 ℃ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 또, 가열 공정 S113 에 있어서의 유지 시간은, 10 분 이상 30 분 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
그리고, 가열 공정 S113 후, 냉각을 실시함으로써, 용융된 Ag-Ti 계 납재 (124) 를 응고시킨다 (냉각 공정 S114). 또한, 이 냉각 공정 S114 에 있어서의 냉각 속도는, 특별히 한정되지는 않지만, 2 ℃/min 이상 10 ℃/min 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 구리판 접합 공정 S101 은, 적층 공정 S111, 저온 유지 공정 S112, 가열 공정 S113, 냉각 공정 S114 에 의해 구성되어 있고, 세라믹스 부재인 세라믹스 기판 (111) 과 구리 부재인 구리판 (122, 123) 이 접합된다.
그리고, TiO2 로 이루어지는 Ti 화합물층 (131) 내에, Ag 입자 (135) 가 분산된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태의 Cu/세라믹스 접합체 (파워 모듈용 기판 (110)) 에 의하면, 터프 피치동으로 이루어지는 구리판 (122) (회로층 (112)) 및 구리판 (123) (금속층 (113)) 과 Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (111) 이, Ag-Ti 계 납재 (124) 를 사용하여 접합되어 있고, 세라믹스 기판 (111) 의 접합 계면에 TiO2 로 이루어지는 Ti 화합물층 (131) 이 형성된다. 이 Ti 화합물층 (131) 내에 Ag 입자 (135) 가 분산되어 있기 때문에, 접합시에 있어서 Ti 화합물층 (131) 이 충분히 형성된다. 그 결과, 구리판 (122) (회로층 (112)) 및 구리판 (123) (금속층 (113)) 과 세라믹스 기판 (111) 이 확실하게 접합된 파워 모듈용 기판 (110) 을 얻을 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 구리판 접합 공정 S101 이, 구리판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 을 Ag-Ti 계 납재 (124) 를 개재하여 적층하는 적층 공정 S111 과, 적층한 구리판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 을 적층 방향으로 가압한 상태에서, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 미만의 온도 범위에서 유지하는 저온 유지 공정 S112 와, 저온 유지 공정 S112 후, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 이상으로 가열하여 Ag-Ti 계 납재 (124) 를 용융시키는 가열 공정 S113 과, 가열 공정 S113 후, 냉각을 실시함으로써 용융된 Ag-Ti 계 납재 (124) 를 응고시키는 냉각 공정 S114 를 구비하고 있다. 그 결과, 구리판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 을 확실하게 접합할 수 있다.
즉, 저온 유지 공정 S112 에 있어서, 구리판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 의 계면에 Al 과 Ag 의 공정 반응에 의한 액상 (138) 이 발생하고, 이 액상 (138) 중에 있어서 Ti 와 O 가 반응함으로써, 세라믹스 기판 (111) 의 계면에 Ti 화합물층 (131) 이 형성된다. 또한, 이 과정에 있어서, Ti 화합물층 (131) 내에 Ag 입자 (135) 가 분산된다. 이로써, 가열 공정 S113 에 있어서의 가열 온도를 비교적 저온으로 설정한 경우여도, 구리판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 을 확실하게 접합할 수 있다.
여기서, 본 실시형태에서는, 가열 공정 S113 에 있어서의 가열 온도가 790 ℃ 이상 830 ℃ 이하의 범위 내로 비교적 저온으로 설정되어 있으므로, 접합시에 있어서의 세라믹스 기판 (111) 에 대한 열 부하를 경감시킬 수 있고, 세라믹스 기판 (111) 의 열화를 억제할 수 있다. 또, 상기 서술한 바와 같이, 저온 유지 공정 S112 를 갖고 있으므로, 가열 공정 S113 에 있어서의 가열 온도가 비교적 저온이어도, 세라믹스 기판 (111) 과 구리판 (122, 123) 을 확실하게 접합할 수 있다.
(제 3 실시형태)
다음으로, 본 발명의 제 3 실시형태에 대해, 도 11 내지 도 15 를 참조하여 설명한다.
본 실시형태에 관련된 Cu/세라믹스 접합체는, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 부재인 세라믹스 기판 (211) 과, 구리 부재인 구리판 (222) (회로층 (212)) 이 접합됨으로써 구성된 파워 모듈용 기판 (210) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (211) 은, 절연성이 높은 Al2O3 (알루미나) 으로 구성되어 있고, 제 2 실시형태와 동일한 구성으로 되어 있다.
회로층 (212) 은, 도 14 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (211) 의 일방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (222) 이 접합됨으로써 형성되어 있고, 제 2 실시형태와 동일한 구성으로 되어 있다.
여기서, 세라믹스 기판 (211) 과 회로층 (212) (구리판 (222)) 은, 도 14 에 나타내는 바와 같이, Ag-Ti 계 납재 페이스트 (224) 를 사용하여 접합되어 있다.
이 세라믹스 기판 (211) 과 회로층 (212) (구리판 (222)) 의 접합 계면에는, 도 12 에 나타내는 바와 같이, TiO2 (산화티탄) 로 이루어지는 Ti 화합물층 (231) 과 Ag-Cu 공정층 (232) 이 형성되어 있다.
그리고, 이 Ti 화합물층 (231) 내에는, Ag 입자 (235) 가 분산되어 있다.
Ag 입자 (235) 는, Ti 화합물층 (231) 의 세라믹스 기판 (211) 측에 많이 분포되어 있고, Ti 화합물층 (231) 중 세라믹스 기판 (211) 과의 계면으로부터 500 ㎚ 까지의 계면 근방 영역 (231A) 에 있어서의 Ag 농도가 0.3 원자％ 이상, 바람직하게는 0.3 원자％ 이상 15 원자％ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, Ti 화합물층 (231) 내에서 관찰되는 Ag 입자 (235) 의 90 ％ 이상이, 상기 서술한 계면 근방 영역 (231A) 에 분포되어 있다. 또한, 상기 계면 근방 영역 (231A) 에 분포되는 Ag 입자 (235) 의 보다 바람직한 비율은 95 ％ 이상이고, 상한치는 100 ％ 이지만, 이것에 한정되는 경우는 없다.
또, 본 실시형태에서는, Ti 화합물층 (231) 내에 분산되는 Ag 입자 (235) 의 입경이 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, Ag 입자 (235) 의 입경은 10 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하의 범위 내로 설정되어도 된다.
다음으로, 상기 서술한 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 의 제조 방법에 대해, 도 13 내지 도 15 를 참조하여 설명한다.
먼저, 세라믹스 기판 (211) 의 일방의 면에, 스크린 인쇄에 의해 Ag-Ti 계 납재 페이스트 (224) 를 도포한다 (납재 페이스트 도포 공정 S211). 또한, Ag-Ti 계 납재 페이스트 (224) 의 두께는, 건조 후에 20 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하로 되어 있다.
여기서, Ag-Ti 계 납재 페이스트 (224) 는, Ag 및 Ti 를 함유하는 분말 성분과, 수지와, 용제와, 분산제와, 가소제와, 환원제를 함유하는 것이다.
본 실시형태에서는, 분말 성분의 함유량이, Ag-Ti 계 납재 페이스트 (224) 전체의 40 질량％ 이상 90 질량％ 이하로 되어 있다. 또, 본 실시형태에서는, Ag-Ti 계 납재 페이스트 (224) 의 점도가 10 ㎩·s 이상 500 ㎩·s 이하, 보다 바람직하게는 50 ㎩·s 이상 300 ㎩·s 이하로 조정되어 있다.
분말 성분의 조성은, Ti 의 함유량이 0.4 질량％ 이상 75 질량％ 이하로 되고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물로 되어 있다. 본 실시형태에서는, Ti 를 10 질량％ 함유하고 있고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물로 되어 있다.
또, 본 실시형태에 있어서는, Ag 및 Ti 를 함유하는 분말 성분으로서, Ag 와 Ti 의 합금 분말을 사용하고 있다. 이 합금 분말은, 아토마이즈법에 의해 제작된 것으로, 제작된 합금 분말을 체 분급함으로써, 입경을 40 ㎛ 이하, 바람직하게는 20 ㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ 이하로 설정하고 있다.
다음으로, 세라믹스 기판 (211) 의 일방의 면에 회로층 (212) 이 되는 구리판 (222) 을 적층한다 (적층 공정 S212).
또한, 구리판 (222) 및 세라믹스 기판 (211) 을 적층 방향으로 0.5 ㎏f/㎠ 이상 35 ㎏f/㎠ 이하 (4.9 × 104 ㎩ 이상 343 × 104 ㎩ 이하) 의 범위에서 가압한 상태에서, 이들을 진공 또는 아르곤 분위기의 가열로 내에 장입하고 가열하여 유지한다 (저온 유지 공정 S213). 여기서, 저온 유지 공정 S213 에 있어서의 유지 온도는, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 미만의 온도 범위로 되어 있고, 구체적으로는 570 ℃ 이상 770 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또, 저온 유지 공정 S213 에 있어서의 유지 시간은, 30 분 이상 5 시간 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, 저온 유지 공정 S213 에 있어서의 유지 온도는, 590 ℃ 이상 750 ℃ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 또, 저온 유지 공정 S213 에 있어서의 유지 시간은, 60 분 이상 3 시간 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
이 저온 유지 공정 S213 에 있어서는, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상으로 온도를 유지하는 점에서, 도 15 에 나타내는 바와 같이, Ag-Ti 계 납재 페이스트 (224) 중의 Ag 와, Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (211) 과 Ti 의 반응에 의해 발생한 Al 이 공정 반응하여 액상 (238) 이 발생한다. 이 액상 (238) 중에 있어서, Ag-Ti 계 납재 페이스트 (224) 중의 Ti 와 세라믹스 기판 (211) 중의 O (산소) 가 반응하여 TiO2 가 생성된다. 이로써, 세라믹스 기판 (211) 의 표면이 침식되는 형태로, TiO2 로 이루어지는 Ti 화합물층 (231) 이 형성된다.
저온 유지 공정 S213 후, 구리판 (222) 및 세라믹스 기판 (211) 을 가압한 상태에서, 이들을 진공 분위기의 가열로 내에서 가열하고, Ag-Ti 계 납재 페이스트 (224) 를 용융시킨다 (가열 공정 S214). 이 때, 구리판 (222) 으로부터 Ag-Ti 계 납재 페이스트 (224) 로 Cu 가 공급되고, Ag 와 Cu 의 공정 반응에 의해 융점이 저하되고, Ag-Ti 계 납재 페이스트 (224) 의 용융이 촉진된다. 여기서, 가열 공정 S214 에 있어서의 가열 온도는, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 이상으로 되어 있고, 구체적으로는 790 ℃ 이상 830 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또, 가열 공정 S214 에 있어서의 유지 시간은, 5 분 이상 60 분 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, 가열 공정 S214 에 있어서의 가열 온도는, 800 ℃ 이상 820 ℃ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 또, 가열 공정 S214 에 있어서의 유지 시간은, 10 분 이상 30 분 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
그리고, 가열 공정 S214 후, 냉각을 실시함으로써, 용융된 Ag-Ti 계 납재 페이스트 (224) 를 응고시킨다 (냉각 공정 S215). 또한, 이 냉각 공정 S215 에 있어서의 냉각 속도는, 특별히 한정되지는 않지만, 2 ℃/min 이상 10 ℃/min 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 하여, 세라믹스 부재인 세라믹스 기판 (211) 과 구리 부재인 구리판 (222) 이 접합되고, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 이 제조된다.
그리고, TiO2 로 이루어지는 Ti 화합물층 (231) 내에, Ag 입자 (235) 가 분산된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태의 Cu/세라믹스 접합체 (파워 모듈용 기판 (210)) 에 의하면, 제 2 실시형태와 동일한 작용 효과를 발휘하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태에서는, Ag-Ti 계 납재 페이스트 (224) 를 세라믹스 기판 (211) 의 일방의 면에 도포하는 납재 페이스트 도포 공정 S211 과, 구리판 (222) 과 세라믹스 기판 (211) 을, 도포한 Ag-Ti 계 납재 페이스트 (224) 를 개재하여 적층하는 적층 공정 S212 와, 적층한 구리판 (222) 과 세라믹스 기판 (211) 을 적층 방향으로 가압한 상태에서, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 미만의 온도 범위에서 유지하는 저온 유지 공정 S213 과, 저온 유지 공정 S213 후, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 이상으로 가열하여 Ag-Ti 계 납재 페이스트 (224) 를 용융시키는 가열 공정 S214 와, 가열 공정 S214 후, 냉각을 실시함으로써 용융된 Ag-Ti 계 납재 페이스트 (224) 를 응고시키는 냉각 공정 S215 를 구비하고 있다. 그 결과, 구리판 (222) 과 세라믹스 기판 (211) 을 확실하게 접합할 수 있다.
즉, 저온 유지 공정 S213 에 있어서, 구리판 (222) 과 세라믹스 기판 (211) 의 계면에 Al 과 Ag 의 공정 반응에 의한 액상 (238) 이 발생하고, 이 액상 (238) 중에 있어서 Ti 와 O 가 반응함으로써, 세라믹스 기판 (211) 의 계면에 Ti 화합물층 (231) 이 형성된다. 또한, 이 과정에 있어서, Ti 화합물층 (231) 내에 Ag 입자 (235) 가 분산된다. 이로써, 가열 공정 S214 에 있어서의 가열 온도를 비교적 저온으로 설정한 경우여도, 구리판 (222) 과 세라믹스 기판 (211) 을 확실하게 접합할 수 있다.
여기서, 본 실시형태에서는, 가열 공정 S214 에 있어서의 가열 온도가 790 ℃ 이상 830 ℃ 이하의 범위 내로 비교적 저온으로 설정되어 있으므로, 접합시에 있어서의 세라믹스 기판 (211) 에 대한 열 부하를 경감시킬 수 있고, 세라믹스 기판 (211) 의 열화를 억제할 수 있다. 또, 상기 서술한 바와 같이, 저온 유지 공정 S213 을 갖고 있으므로, 가열 공정 S214 에 있어서의 가열 온도가 비교적 저온이어도, 세라믹스 기판 (211) 과 구리판 (222) 을 확실하게 접합할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했는데, 본 발명은 이것에 한정되는 경우는 없고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
예를 들어, 회로층 또는 금속층을 구성하는 구리판을, 무산소동 또는 터프 피치동의 압연판으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되는 경우는 없고, 다른 구리 또는 구리 합금으로 구성된 것이어도 된다.
또, 제 1 실시형태에 있어서, 금속층을 구성하는 알루미늄판을, 순도 99.99 mass％ 의 순알루미늄의 압연판으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되는 경우는 없고, 순도 99 mass％ 의 알루미늄 (2 N 알루미늄) 등, 다른 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된 것이어도 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 계면 근방 영역에 있어서의 Ag 농도가 0.3 원자％ 이상으로 된 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되는 경우는 없다.
또, 본 실시형태에서는, Ti 화합물층에 분산되는 Ag 입자의 입경이 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있는 것으로 하여 설명했지만, 그 이외의 사이즈의 Ag 입자가 분산되어 있어도 된다.
또한, 히트 싱크나 방열판은, 본 실시형태에서 예시한 것에 한정되는 경우는 없고, 히트 싱크의 구조에 특별히 한정은 없다.
또, 히트 싱크의 천판부나 방열판과 금속층 사이에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 알루미늄을 함유하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층을 형성해도 된다.
또한, 제 3 실시형태에서는, Ag-Ti 계 납재 페이스트를 사용하여 세라믹스 기판과 구리판을 접합하는 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되는 경우는 없고, Ag-Cu-Ti 계 페이스트를 사용해도 된다. 이 경우, 제 3 실시형태에서는 제 1 실시형태와 동일한 계면 구조를 갖는다.
또, Ag-Ti 계 납재 페이스트를 세라믹스 기판에 도포하는 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되는 경우는 없고, 구리판에 Ag-Ti 계 납재 페이스트 등을 도포해도 된다.
또한, Ag-Ti 계 납재 페이스트를 스크린 인쇄에 의해 도포하는 것으로 하여 설명했지만, 도포 방법에 한정되지는 않는다.
또, 적층 공정 (S212) 전에, Ag-Ti 계 납재 페이스트의 건조를 실시하는 공정을 형성해도 된다.
또한, 제 3 실시형태에서는, Ag 및 Ti 를 함유하는 분말 성분으로서 Ag 와 Ti 의 합금 분말을 사용했지만, 이것에 한정되지 않고, Ag 분말과 Ti 분말의 혼합 분말을 사용할 수 있다. 이 경우, 사용하는 Ag 분말의 입경은 40 ㎛ 이하, 바람직하게는 20 ㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ 이하이면 된다.
또, Ti 분말 대신에 TiH2 분말을 사용할 수도 있다. TiH2 분말을 사용한 경우, 분말 성분의 조성은, TiH2 의 함유량이 0.4 질량％ 이상 50 질량％ 이하가 되고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물로 하면 된다. 사용되는 TiH2 분말의 입경은 15 ㎛ 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 ㎛ 이하이면 된다. 또, TiH2 분말을 사용한 페이스트의 경우, 도포된 페이스트의 두께는, 건조 후에서 20 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하로 하면 된다.
또, Ag 분말과 Cu 분말과 Ti 분말 또는 TiH2 분말의 혼합 분말로 이루어지는 페이스트를 사용할 수도 있다.
또, 상기 실시형태에 기재한 Ag-Cu-Ti 계 납재나 Ag-Ti 계 납재에 In, Sn, Al, Mn 및 Zn 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 첨가시킬 수도 있다. 이 경우, 접합 온도를 더욱 저하시킬 수 있다.
또한, Ag-Ti 계 납재 페이스트로서 Ti 와 In, Sn, Al, Mn 및 Zn 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소와, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물로 이루어지는 페이스트를 사용할 수도 있다. 이 경우, 접합 온도를 더욱 저하시킬 수 있다.
또, 제 2 실시형태에 있어서, Ag-Ti 계 납재의 박 대신에 제 3 실시형태에tj 기재한 Ag-Ti 계 납재 페이스트를 사용할 수도 있다.
실시예
본 발명에 관련된 실시형태의 유효성을 확인하기 위하여 실시한 확인 실험에 대해 설명한다.
표 1 에 나타내는 세라믹스 기판, 납재, 구리판을 사용하여, Cu/세라믹스 접합체를 형성하였다. 상세히 서술하면, 가로세로 40 ㎜ 로 두께 0.635 ㎜ 의 세라믹스 기판의 편면에, 두께 20 ㎛ 의 Ag 및 Ti 를 함유하는 납재박을 사용하여, 표 1 에 나타내는 조건으로, 가로세로 38 ㎜ 의 두께 0.6 ㎜ 의 구리판을 접합하여, Cu/세라믹스 접합체를 형성하였다. 또, 납재로서, Ag-Cu-Ti 의 경우에는 Ag-28 mass％ Cu-3 mass％ Ti 의 납재를, Ag-Ti 의 경우에는 Ag-10 mass％ Ti 의 납재를 사용하였다. 또, 적층 방향으로의 가압력 (하중) 은 1.5 ㎏f/㎠ 로 하였다.
또, 표 2 에 나타내는 세라믹스 기판, 납재, 구리판을 사용하여, Cu/세라믹스 접합체를 형성하였다. 상세히 서술하면, 가로세로 40 ㎜ 로 두께 0.635 ㎜ 의 세라믹스 기판의 편면에, Ag 및 Ti 를 함유하는 납재 페이스트를 사용하여, 표 2 에 나타내는 조건으로, 가로세로 38 ㎜ 의 두께 0.6 ㎜ 의 구리판을 접합하여, Cu/세라믹스 접합체를 형성하였다. 또, 적층 방향으로의 가압력 (하중) 은 1.5 ㎏f/㎠ 로 하였다.
또한, 납재 페이스트로서, Ag-Cu-Ti 의 경우에는, 분말 성분의 조성이 Ag-28 mass％ Cu-3 mass％ Ti 인 납재 분말 (입경 20 ㎛) 과, 아크릴계 수지와, 텍산올을 함유하는 페이스트로 하고, 도포 두께는 표 2 에 기재한 값으로 하였다.
Ag-Ti 의 경우에는, 분말 성분의 조성이 Ag-10 mass％ Ti 인 납재 분말 (입경 20 ㎛) 과, 아크릴계 수지와, 텍산올을 함유하는 페이스트를 사용하고, 도포 두께는 표 2 에 기재한 값으로 하였다.
Ag-TiH2 의 경우에는, Ag 분말 (입경 5 ㎛) 과 TiH2 분말 (입경 5 ㎛) 로 이루어지는 혼합 분말과, 아크릴계 수지와, 텍산올을 함유하는 페이스트를 사용하였다. 혼합 분말의 조성은, TiH2 : 20 질량％, 잔부 : Ag 및 불가피 불순물로 하고, 도포 두께는 표 2 에 기재한 값으로 하였다.
Ag-Cu-TiH2 의 경우에는 Ag 분말 (입경 5 ㎛) 과 Cu 분말 (입경 2.5 ㎛) 과 TiH2 분말 (입경 5 ㎛) 로 이루어지는 혼합 분말과, 아크릴계 수지와, 텍산올을 함유하는 페이스트를 사용하였다. 혼합 분말의 조성은, Cu : 27 질량％, TiH2 : 3 질량％, 잔부 : Ag 및 불가피 불순물로 하고, 도포 두께는 표 2 에 기재한 값으로 하였다.
또한, 본 실시예에 있어서는 페이스트 도포 후에 150 ℃ 에서 건조를 실시하였다. 표 2 에 기재된 도포 두께는 건조 후의 값으로 하였다.
이와 같이 하여 얻어진 Cu/세라믹스 접합체에 대해, Ti 화합물층 중의 Ag 입자 및 Cu 입자의 유무, Ti 화합물층 중의 계면 근방 영역의 Ag 농도, 구리판과 세라믹스 기판의 접합률을 평가하였다.
(Ti 화합물층 중의 Ag 입자 및 Cu 입자의 유무)
구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을, 주사형 전자현미경 (칼 짜이스 NTS 사 제조 ULTRA55) 을 사용하여, 배율 15000 배 (측정 범위 : 6 ㎛ × 8 ㎛), 시야 수 5 로 관찰을 실시하고, Ti 화합물층 중의 Ag 입자 및 Cu 입자의 유무를 확인하였다.
(Ti 화합물층 중의 계면 근방 영역의 Ag 농도)
구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면 (적층 방향에 평행한 단면) 을, 에너지 분산형 X 선 검출기 (ThermoFisher Scientific 사 제조 SDD 검출기 및 Norton System Six) 를 사용하여 라인 분석을 실시하고, Ti 화합물층 중의 계면 근방 영역의 Ag 농도를 측정하였다.
(접합률)
구리판과 세라믹스 기판의 접합률은, 초음파 탐상 장치 (히타치 파워 솔루션즈사 제조 FineSAT200) 를 사용하여 이하의 식을 사용하여 구하였다. 여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적인 구리판의 면적 (가로세로 38 ㎜) 으로 하였다. 초음파 탐상 이미지를 2 치화 처리한 화상에 있어서 박리는 접합부 내의 백색부로 나타나는 점에서, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 하였다.
(접합률) ＝ {(초기 접합 면적) ― (박리 면적)}/(초기 접합 면적) × 100
평가 결과를 표 3, 4 에 나타낸다. 또, 본 발명예 1 의 반사 전자 이미지를 도 16 에 나타낸다.
Figure 112016013461950-pct00001
Figure 112016013461950-pct00002
Figure 112016013461950-pct00003
Figure 112016013461950-pct00004
종래예 1 에서는, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판에 Ag-Cu-Ti 납재를 사용하여 OFC 로 이루어지는 구리판을 접합할 때에, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상 Ag 와 Cu 의 공정점 온도 이하의 온도 범위에서 유지하는 저온 유지 공정을 실시하지 않았다. 이와 같은 종래예 1 에 있어서는, 세라믹스 기판과 구리판의 계면에 TiN 으로 이루어지는 Ti 화합물층이 확인되기는 하였지만, 이 Ti 화합물층의 내부에 Ag 입자, Cu 입자는 확인되지 않았다. 또, 세라믹스 기판과 Ti 화합물층의 계면 근방 영역에 있어서의 Ag 농도도 0.00 at％ 였다. 이와 같은 종래예 1 에 있어서는 접합률이 83.7 ％ 였다.
이에 대하여, 본 발명예 2 ∼ 7 에서는, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판에 Ag-Cu-Ti 납재를 사용하여 OFC 로 이루어지는 구리판을 접합할 때에, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상 Ag 와 Cu 의 공정점 온도 이하의 온도 범위에서 유지하는 저온 유지 공정을 실시하였다. 이와 같은 본 발명예 2 ∼ 7 에 있어서는, 세라믹스 기판과 구리판의 계면에 TiN 으로 이루어지는 Ti 화합물층이 확인되고, 이 Ti 화합물층의 내부에 Ag 입자, Cu 입자가 관찰되었다. 또, 세라믹스 기판과 Ti 화합물층의 계면 근방 영역에 있어서의 Ag 농도가 0.15 ∼ 12.28 at％ 였다. 이와 같은 본 발명예 2 ∼ 7 에 있어서는, 접합률이 92.1 ∼ 97.6 ％ 로서, 종래예에 비하여 접합률의 향상이 관찰되었다.
또, 본 발명예 1, 8 에서는, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판에 Ag-Ti 납재를 사용하여 TPC 또는 OFC 로 이루어지는 구리판을 접합할 때에, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상 Ag 와 Cu 의 공정점 온도 이하의 온도 범위에서 유지하는 저온 유지 공정을 실시하였다. 이와 같은 본 발명예 1, 8 에 있어서는, 세라믹스 기판과 구리판의 계면에 TiN 으로 이루어지는 Ti 화합물층이 확인되고, 이 Ti 화합물층의 내부에 Ag 입자가 관찰되었다. 또, 세라믹스 기판과 Ti 화합물층의 계면 근방 영역에 있어서의 Ag 농도가 0.13 at％, 10.56 at％ 였다. 이와 같은 본 발명예 1, 8 에 있어서도, 접합률이 93.3 ％, 98.0 ％ 로서, 종래예에 비하여 접합률의 향상이 관찰되었다.
또한, 본 발명예 9, 10, 13 ∼ 16 에서는, Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 기판에 Ag-Ti 납재를 사용하여 OFC 로 이루어지는 구리판을 접합할 때에, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상 Ag 와 Cu 의 공정점 온도 이하의 온도 범위에서 유지하는 저온 유지 공정을 실시하였다. 이와 같은 본 발명예 9, 10, 13 ∼ 16 에 있어서는, 세라믹스 기판과 구리판의 계면에 TiO2 로 이루어지는 Ti 화합물층이 확인되고, 이 Ti 화합물층의 내부에 Ag 입자가 관찰되었다. 또, 세라믹스 기판과 Ti 화합물층의 계면 근방 영역에 있어서의 Ag 농도가 0.21 ∼ 11.12 at％ 였다. 이와 같은 본 발명예 9, 10, 13 ∼ 16 에 있어서도, 접합률이 91.1 ∼ 98.8 ％ 이고, 종래예에 비하여 접합률의 향상이 관찰되었다.
또, 본 발명예 11, 12 에서는, Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 기판에 Ag-Cu-Ti 납재를 사용하여 OFC 로 이루어지는 구리판을 접합할 때에, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상 Ag 와 Cu 의 공정점 온도 이하의 온도 범위에서 유지하는 저온 유지 공정을 실시하였다. 이와 같은 본 발명예 11, 12 에 있어서는, 세라믹스 기판과 구리판의 계면에 TiO2 로 이루어지는 Ti 화합물층이 확인되고, 이 Ti 화합물층의 내부에 Ag 입자, Cu 입자가 관찰되었다. 또, 세라믹스 기판과 Ti 화합물층의 계면 근방 영역에 있어서의 Ag 농도가 9.08 at％, 11.36 at％ 였다. 이와 같은 본 발명예 11, 12 에 있어서도, 접합률이 97.5 ％, 98.7 ％ 이고, 종래예에 비하여 접합률의 향상이 관찰되었다.
또, 표 2 및 표 4 에 나타내는 바와 같이, Ag-Ti 계 페이스트, Ag-Cu-Ti 계 페이스트 및 Ag-TiH2 계 페이스트를 사용한 경우여도, 납재박을 사용한 경우와 마찬가지로, 종래예에 비하여 접합률의 향상이 관찰되는 결과가 되었다.
산업상 이용가능성
본 발명에 의하면, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합된 Cu/세라믹스 접합체, 이 Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및 이 Cu/세라믹스 접합체로 이루어지는 파워 모듈용 기판을 제공할 수 있다. 본 발명의 Cu/세라믹스 접합체, 및 파워 모듈용 기판은, 풍력 발전, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등을 제어하기 위하여 사용되는 대전력 제어용 파워 반도체 소자에 바람직하다.
10, 110, 210 : 파워 모듈용 기판
11, 111, 211 : 세라믹스 기판
12, 112, 212 : 회로층
13, 113 : 금속층
22, 122, 123, 222 : 구리판
24 : Ag-Cu-Ti 계 납재
31, 131, 231 : Ti 화합물층
31A, 131A, 231A : 계면 근방 영역
35, 135, 235 : Ag 입자
36 : Cu 입자
124 : Ag-Ti 계 납재
224 : Ag-Ti 계 납재 페이스트

Claims (13)

  1. 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, AlN 또는 Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 부재가, Ag 및 Ti 를 함유하는 접합재를 사용하여 접합된 Cu/세라믹스 접합체로서,
    상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면에는, Ti 질화물 또는 Ti 산화물로 이루어지는 Ti 화합물층이 형성되어 있고,
    이 Ti 화합물층 내에 Ag 입자가 분산되어 있는, Cu/세라믹스 접합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 Ti 화합물층 중 상기 세라믹스 부재와의 계면으로부터 500 ㎚ 까지의 계면 근방 영역에 있어서의 Ag 농도가 0.3 원자％ 이상으로 되어 있는, Cu/세라믹스 접합체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 Ti 화합물층 내에 분산되는 상기 Ag 입자의 입경이 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있는, Cu/세라믹스 접합체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 접합재는 추가로 Cu 를 함유하고 있고, 상기 Ti 화합물층 내에 Cu 입자가 분산되어 있는, Cu/세라믹스 접합체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 Cu/세라믹스 접합체를 제조하는 Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법으로서,
    상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에 Ag 및 Ti 를 함유하는 접합재를 개재시키고, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를 적층 방향으로 4.9 × 104 ㎩ 이상 343 × 104 ㎩ 이하의 범위에서 가압한 상태에서, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 미만의 온도 범위에서 유지하고, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면에, Ti 질화물 또는 Ti 산화물로 이루어지는 Ti 화합물층을 형성하는 저온 유지 공정과,
    상기 저온 유지 공정 후, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 이상의 온도로 가열하여 상기 접합재를 용융시키는 가열 공정과,
    상기 가열 공정 후, 냉각을 실시하여 용융된 상기 접합재를 응고시켜 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를 접합하는 냉각 공정을 구비하고 있고,
    상기 저온 유지 공정에 있어서, 형성되는 상기 Ti 화합물층에 Ag 입자가 분산되어 있는, Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 저온 유지 공정에 있어서의 유지 시간이 30 분 이상 5 시간 이하의 범위 내로 되어 있는, Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 가열 공정에 있어서의 가열 온도가 790 ℃ 이상 830 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있는, Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법.
  8. AlN 또는 Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 기판의 표면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합된 파워 모듈용 기판으로서,
    제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 Cu/세라믹스 접합체로 구성되어 있는 파워 모듈용 기판.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 접합재는 추가로 Cu 를 함유하고 있고, 상기 Ti 화합물층 내에 Cu 입자가 분산되어 있는, Cu/세라믹스 접합체.
  10. 제 9 항에 기재된 Cu/세라믹스 접합체를 제조하는 Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법으로서,
    상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에 Ag 및 Ti 를 함유하는 접합재를 개재시키고, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를 적층 방향으로 4.9 × 104 ㎩ 이상 343 × 104 ㎩ 이하의 범위에서 가압한 상태에서, Ag 와 Al 의 공정점 온도 이상, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 미만의 온도 범위에서 유지하고, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면에, Ti 질화물 또는 Ti 산화물로 이루어지는 Ti 화합물층을 형성하는 저온 유지 공정과,
    상기 저온 유지 공정 후, Ag 와 Cu 의 공정점 온도 이상의 온도로 가열하여 상기 접합재를 용융시키는 가열 공정과,
    상기 가열 공정 후, 냉각을 실시하여 용융된 상기 접합재를 응고시켜 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를 접합하는 냉각 공정을 구비하고 있고,
    상기 저온 유지 공정에 있어서, 형성되는 상기 Ti 화합물층에 Ag 입자가 분산되어 있는, Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 저온 유지 공정에 있어서의 유지 시간이 30 분 이상 5 시간 이하의 범위 내로 되어 있는, Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 가열 공정에 있어서의 가열 온도가 790 ℃ 이상 830 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있는, Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법.
  13. AlN 또는 Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 기판의 표면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합된 파워 모듈용 기판으로서,
    제 9 항에 기재된 Cu/세라믹스 접합체로 구성되어 있는 파워 모듈용 기판.
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