KR102220852B1 - 접합체의 제조 방법 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 활성 금속재 및 융점이 710 ℃ 이하인 용가재를 개재하여 세라믹스 부재 (11) 와 구리 부재 (12) 를 적층시키는 적층 공정과, 적층된 세라믹스 부재 (11) 및 구리 부재 (12) 를 가열 처리하는 가열 처리 공정을 구비하고 있다.
Description
이 발명은 세라믹스 부재와 구리 부재가 접합되어 이루어지는 접합체의 제조 방법, 및 세라믹스 기판에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 회로층 또는 금속층이 접합된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은 2013년 3월 18일에 일본에 출원된 일본 특허출원 제2013-055517호에 대해 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
LED 나 파워 모듈 등의 반도체 장치에 있어서는, 도전 재료로 이루어지는 회로층 상에 반도체 소자가 접합된 구조로 되어 있다.
풍력 발전, 전기 자동차 등의 전기 차량 등을 제어하기 위해서 사용되는 대 (大) 전력 제어용 파워 반도체 소자에 있어서는, 발열량이 많기 때문에, 이를 탑재하는 기판으로는, 예를 들어 AlN (질화알루미늄) 등으로 이루어지는 세라믹스 기판의 일방 면에 도전성이 우수한 금속판을 회로층으로 하여 접합시킨 파워 모듈용 기판이, 종래부터 널리 사용되어 왔다. 또한, 세라믹스 기판의 타방 면에 금속판을 금속층으로 하여 접합시키는 경우도 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에 나타내는 파워 모듈용 기판에 있어서는, 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) 의 일방 면 및 타방 면에 구리판 (구리 부재) 을 접합시킴으로써 회로층 및 금속층이 형성된 구조로 되어 있다. 이 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판의 일방 면 및 타방 면에 Ag-Cu-Ti 계 납재를 개재시켜 구리판을 배치하고, 가열 처리를 실시함으로써 구리판이 접합되어 있다.
상기 서술한 Ag-Cu-Ti 계 납재에 있어서는, 활성 금속인 Ti 가 함유되어 있기 때문에, 세라믹스 기판과 구리판을 Ag-Cu-Ti 계 납재를 개재하여 접합시킬 때에, 납재의 액상과 세라믹스 기판의 젖음성이 양호해져, 세라믹스 기판과 구리판을 양호하게 접합시킬 수 있다.
그런데, 특허문헌 1 에 개시된 바와 같이, Ag-Cu-Ti 계 납재를 사용하여 세라믹스 기판과 구리판을 접합시키면, Ag-Cu-Ti 계 납재의 융점이 높기 때문에, 세라믹스 기판이 열에 의해 열화되는 문제가 있었다.
또한, Ag-Cu-Ti 계 납재는 고가의 Ag 를 함유하고 있기 때문에 제조 비용이 비싸지는 문제도 있었다.
이 발명은 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 세라믹스 부재와 구리 부재를 저온에서 접합시킬 수 있고, 또한 제조 비용이 저렴한 접합체의 제조 방법 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 접합체의 제조 방법의 양태는, 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재가 접합되어 이루어지는 접합체의 제조 방법으로서, 활성 금속재 및 융점이 710 ℃ 이하인 용가재를 개재하여 상기 세라믹스 부재와 상기 구리 부재를 적층시키는 적층 공정과, 적층된 상기 세라믹스 부재 및 상기 구리 부재를 가열 처리하는 가열 처리 공정을 구비하고 있다.
또, 본 발명에 있어서 융점은 고상선 온도로 하고 있다. 또한, 본 발명에 있어서 용가재는 납재 또는 땜납재 등을 가리킨다.
본 발명의 접합체의 제조 방법에 따르면, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재를, 활성 금속재 및 융점이 710 ℃ 이하인 용가재를 개재하여 세라믹스 부재에 적층시키고, 상기 세라믹스 부재 및 상기 구리 부재를 가열 처리한다. 가열 처리시, 용융된 액상 용가재에 활성 금속이 용해되어, 액상 용가재의 세라믹스 부재에 대한 젖음성이 높아지고, 용가재가 응고된 후에는 세라믹스 부재에 용가재를 개재하여 구리 부재가 양호하게 접합된다.
또, 용가재의 융점이 710 ℃ 이하로 되어 있으므로, Ag-Cu-Ti 계 납재를 사용한 경우보다 낮은 온도에서 용가재의 액상을 형성할 수 있다. 이와 같은 저온역에서 가열 처리를 실시하면, 세라믹스 부재에 대한 열적인 부하를 경감시킬 수 있다.
또한, Ag 를 함유하지 않은 용가재를 사용하여 세라믹스 부재와 구리 부재를 접합시키므로, Ag-Cu-Ti 계 납재를 사용한 경우보다 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
또, 상기 적층 공정에 있어서, 상기 세라믹스 부재측에 상기 용가재를 배치하고, 상기 구리 부재측에 상기 활성 금속재를 배치해도 된다.
이와 같은 경우, 구리 부재와 활성 금속재를 가열 처리시에 고상 확산 접합에 의해 접합시킬 수 있어, 접합 계면에 Cu 와 활성 금속의 액상이 생겨 접합 계면에 돌기가 생기거나 두께가 변동하거나 하는 것을 억제할 수 있게 된다. 또, 용가재의 액상과 구리 부재 사이에 활성 금속이 개재되어 있으므로, 용가재의 액상과 구리 부재가 직접 접촉되지 않아 접합 계면에 돌기가 생기거나 두께가 변동하거나 하는 것을 확실하게 억제할 수 있다.
상기 서술한 바와 같이, 용가재가 세라믹스 기판과 양호하게 접합됨과 함께, 활성 금속재와 구리 부재가 고상 확산 접합에 의해 접합되므로, 저온 조건에서도 세라믹스 부재와 구리 부재를 양호하게 접합시킬 수 있어, 세라믹스 부재가 열열화되는 것을 억제할 수 있다.
또, 상기 서술한 접합체의 제조 방법에 있어서, 상기 용가재가 액상선 온도 450 ℃ 이상의 납재여도 된다.
구체적으로는, 상기 납재는 Cu-P 계 납재, Cu-Sn 계 납재 및 Cu-Al 계 납재 중에서 선택되는 어느 1 종이어도 된다.
이와 같은 납재를 사용한 경우, 납재의 융점이 낮기 때문에, 저온 조건에서도 확실하게 세라믹스 부재와 구리 부재의 접합을 실시할 수 있다.
또, Cu-P 계 납재로서는, 예를 들어 Cu-P 납재, Cu-P-Sn 납재, Cu-P-Sn-Ni 계 납재 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 서술한 접합체의 제조 방법에 있어서, 상기 용가재는 액상선 온도 450 ℃ 미만의 땜납재여도 된다. 구체적으로는, 상기 땜납재는 Cu-P-Sn-Ni 계 땜납재 또는 Cu-Sn 계 땜납재여도 된다.
이와 같은 땜납재를 사용한 경우, 땜납재의 융점이 상기 납재보다 낮기 때문에, 보다 저온 조건에서도 세라믹스 부재와 구리 부재의 접합을 실시할 수 있다.
또, 상기 서술한 접합체의 제조 방법에 있어서, 상기 활성 금속재는 Ti 재여도 된다. 이로써, 용가재의 액상 중에 Ti 가 용해됨으로써 확실하게 세라믹스 기판의 표면을 용가재의 액상으로 젖게 할 수 있어, 세라믹스 부재와 구리 부재를 확실하게 접합시킬 수 있게 된다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 세라믹스 기판의 일방 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 회로층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 세라믹스 기판과 상기 회로층을, 상기 서술한 접합체의 제조 방법에 의해 접합시킨다. 이로써, 비교적 저온에서 회로층을 형성할 수 있으므로, 접합시에 세라믹스 기판이 열화되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 세라믹스 기판의 일방 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 회로층이 배치 형성되고, 타방 면에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 세라믹스 기판과 상기 회로층을 상기 서술한 접합체의 제조 방법에 의해 접합시키고, 상기 회로층을 상기 세라믹스 기판의 일방 면에 접합시킨 후에, 상기 금속층을 상기 세라믹스 기판의 타방 면에 접합시켜도 된다. 이로써, 비교적 저온에서 회로층을 형성할 수 있으므로, 접합시에 세라믹스 기판이 열화되는 것을 억제할 수 있다.
또, 본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 세라믹스 기판의 일방 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 회로층이 배치 형성되고, 타방 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 세라믹스 기판과 상기 회로층 및 상기 세라믹스 기판과 상기 금속층을 상기 서술한 접합체의 제조 방법에 의해 접합시켜도 된다. 이로써, 비교적 저온에서 회로층 및 금속층을 형성할 수 있으므로, 접합시에 세라믹스 기판이 열화되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명에 따르면, 세라믹스 부재와 구리 부재를 저온에서 접합시킬 수 있고, 또한 제조 비용이 저렴한 접합체의 제조 방법 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 4 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 5 는 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 8 은 본 발명의 다른 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 4 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 5 는 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 8 은 본 발명의 다른 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 개략 설명도이다.
(제 1 실시형태)
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 먼저, 본 발명의 제 1 실시형태에 대해 설명한다.
본 실시형태인 접합체의 제조 방법에서는, 세라믹스 기판 (11) (세라믹스 부재) 과 회로층 (12) (구리 부재) 및 금속층 (13) (구리 부재) 을 접합시킴으로써, 접합체로서 파워 모듈용 기판 (10) 을 제조한다. 도 1 에, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 을 구비한 파워 모듈 (1) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (1) 은, 회로층 (12) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (10) 과, 회로층 (12) 의 일방 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 접합층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 파워 모듈용 기판 (10) 의 타방 측 (도 1 에 있어서 하측) 에 배치된 히트싱크 (30) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방 면 (도 2 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (12) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방 면 (도 2 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (13) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄), Si3N4 (질화규소), Al2O3 (알루미나) 등의 세라믹스로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 방열성이 우수한 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 일방 면에 도전성을 갖는 구리 또는 구리 합금의 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 은, 순도 99.99 질량% 이상의 구리의 압연판을 접합시킴으로써 형성되어 있다. 또, 회로층 (12) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
금속층 (13) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방 면에 구리 또는 구리 합금의 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 은, 회로층 (12) 과 마찬가지로 순도 99.99 질량% 이상의 구리의 압연판을 접합시킴으로써 형성되어 있다. 또, 금속층 (13) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
반도체 소자 (3) 는 Si 등의 반도체 재료로 구성되어 있다. 이 반도체 소자 (3) 와 회로층 (12) 은 접합층 (2) 을 개재하여 접합되어 있다.
접합층 (2) 은 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계 혹은 Sn-Ag-Cu 계 땜납재로 되어 있다.
히트싱크 (30) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (10) 으로부터의 열을 방산하기 위한 것이다. 본 실시형태에 있어서는, 히트싱크 (30) 는 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있고, 본 실시형태에서는 무산소동으로 구성되어 있다. 이 히트싱크 (30) 에는, 냉각용 유체가 흐르기 위한 유로 (31) 가 형성되어 있다. 또, 이 히트싱크 (30) 와 금속층 (13) 이 땜납재로 이루어지는 땜납층 (18) 에 의해 접합되어 있다.
다음으로, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈 (1) 의 제조 방법에 대해 도 3 의 플로우도 및 도 4 를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방 면 (도 4 에 있어서 상면) 에, 용가재 (25), 활성 금속재 (26) 및 회로층 (12) 이 되는 구리판 (22) 을 차례로 적층시킴과 함께, 세라믹스 기판 (11) 의 타방 면 (도 4 에 있어서 하면) 에도, 도 4 에 나타내는 바와 같이 용가재 (25), 활성 금속재 (26) 및 금속층 (13) 이 되는 구리판 (23) 을 차례로 적층시킨다 (적층 공정 S01). 즉, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) 사이에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 측에 용가재 (25) 를 배치하고, 구리판 (22) 측에 활성 금속재 (26) 를 배치하고 있고, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (23) 사이에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 측에 용가재 (25) 를 배치하고, 구리판 (22) 측에 활성 금속재 (26) 를 배치하고 있다.
여기서, 용가재 (25) 는 납재 또는 땜납재를 나타내는 것으로, 융점이 710 ℃ 이하인 Cu-P 계 납재, Cu-Sn 계 납재, Cu-P-Sn-Ni 계 땜납재 또는 Cu-Sn 계 땜납재로 되어 있다. 또, Cu-P 계 납재로는, 예를 들어 Cu-P 납재, Cu-P-Sn 납재, Cu-P-Sn-Ni 납재 등을 사용할 수 있다.
본 실시형태에서는, 용가재 (25) 로서 Cu-P-Sn-Ni 계 납재박 (Cu-7 mass% P-15 mass% Sn-10 mass% Ni) 을 사용하고 있다. 용가재 (25) 의 두께는 5 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하의 범위로 되어 있다.
활성 금속재 (26) 는, 예를 들어 Ti, Zr, Nb, Hf 와 같은 활성 원소 중 어느 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것으로 되어 있고, 본 실시형태에서는 활성 금속재 (26) 로서 Ti 박을 사용하고 있다. 활성 금속재 (26) 의 두께는 1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하의 범위로 되어 있다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11), 용가재 (25), 활성 금속재 (26) 및 구리판 (22, 23) 을 적층 방향으로 1 ∼ 35 kgf/㎠ (98 ∼ 3430 kPa) 로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다 (가열 처리 공정 S02). 여기서, 본 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도는 560 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간은 30 분 이상 360 분 이하의 범위로 설정되어 있다.
이 가열 처리 공정 S02 에 있어서는, 활성 금속재 (26) (Ti 박) 와 구리판 (22, 23) 이 고상 확산 접합에 의해 접합됨과 함께, 용가재 (25) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상이 응고됨으로써, 용가재 (25) 를 개재하여 세라믹스 기판 (11) 과 활성 금속재 (26) 가 접합되게 된다. 또, 고상 확산 접합에 의해 접합되는 활성 금속재 (26) 와 구리판 (22, 23) 의 접합면은 미리 평활한 면으로 되어 있다.
이로써, 세라믹스 기판 (11) (세라믹스 부재) 의 일방 면 및 타방 면에 회로층 (12) (구리 부재) 및 금속층 (13) (구리 부재) 이 형성되고, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) (접합체) 이 제조된다.
이어서, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 하면에, 땜납재를 개재하여 히트싱크 (30) 를 접합시킨다 (히트싱크 접합 공정 S03).
다음으로, 파워 모듈용 기판 (10) 의 회로층 (12) 상면에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 접합시킨다 (반도체 소자 접합 공정 S04).
이와 같이 하여 본 실시형태에 관련된 파워 모듈 (1) 이 제조된다.
본 실시형태의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 따르면, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22, 23) 사이에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 측에 융점이 710 ℃ 이하인 용가재 (25) 를 배치하고, 구리판 (22, 23) 측에 활성 금속재 (26) (본 실시형태에 있어서는 Ti 재) 를 배치한 상태에서 가열 처리를 실시하므로, 가열시, 용융된 액상 용가재 (25) 에 Ti 가 용해되어, 액상 용가재 (25) 의 세라믹스 기판 (11) 에 대한 젖음성이 높아지고, 용가재 (25) 가 응고된 후에는 구리판 (22) 이 용가재 (25) 를 개재하여 세라믹스 기판 (11) 에 접합되어 높은 접합 신뢰성을 갖게 된다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 활성 금속재 (26) 와 구리판 (22, 23) 을 적층시키고, 가압한 상태에서 온도 560 ℃ 이상 650 ℃ 이하로 가열하여 유지하므로, 활성 금속재 (26) 에 함유되는 Ti 원자를 구리판 (22, 23) 중에 확산시키고, 구리판 (22, 23) 에 함유되는 구리 원자를 활성 금속재 (26) 중에 확산시켜, 활성 금속재 (26) 와 구리판 (22, 23) 을 고상 확산 접합시킬 수 있다.
가열 온도가 560 ℃ 이상인 경우, 활성 금속재 (26) 에 함유되는 Ti 원자와 구리판 (22, 23) 에 함유되는 구리 원자의 확산이 촉진되어 단시간에 충분히 고상 확산시킬 수 있다. 또한, 가열 온도가 650 ℃ 이하인 경우, 활성 금속재 (26) 와 구리판 (22, 23) 사이에 액상이 생겨 접합 계면에 돌기가 생기거나 두께가 변동하거나 하는 것을 억제할 수 있다. 그래서, 가열 온도는 상기 범위로 설정되어 있다.
또, 가열 처리 공정 S02 에 있어서, 적층 방향으로 가압되는 압력이 1 kgf/㎠ (98 kPa) 이상인 경우에는, 활성 금속재 (26) 와 구리판 (22, 23) 을 충분히 접합시킬 수 있어, 활성 금속재 (26) 와 구리판 (22, 23) (회로층 (12), 금속층 (13)) 사이에 간극이 생기는 것을 억제할 수 있다. 또한, 부하되는 압력이 35 kgf/㎠ (3430 kPa) 이하인 경우에는, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 그래서, 가압되는 압력은 상기 범위로 설정되어 있다.
또, 용가재 (25) 의 융점이 710 ℃ 이하로 되어 있으므로, Ag-Cu-Ti 계 납재를 사용한 경우보다 낮은 온도에서 용가재의 액상을 형성할 수 있다.
또한, 용가재 (25) 와 구리판 (22, 23) 사이에 활성 금속재 (26) 가 개재되어 있으므로, 용가재 (25) 의 액상과 구리판 (22, 23) 이 직접 접촉되지 않아 접합 계면에 돌기가 생기거나 두께가 변동하거나 하는 것을 억제할 수 있다.
상기 서술한 바와 같이, 용가재 (25) 가 세라믹스 기판 (11) 과 양호하게 접합됨과 함께, 활성 금속재 (26) 와 구리판 (22, 23) 이 고상 확산 접합에 의해 접합되므로, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22, 23) 을 양호하게 접합시킬 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, Ag 를 함유하지 않은 용가재 (25) 를 사용하여 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22, 23) 을 접합시키므로, Ag-Cu-Ti 계 납재를 사용한 경우보다 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 의 일방 면 및 타방 면에, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 을 동시에 접합시키므로, 제조 공정을 간략화하여 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
또한, 활성 금속재 (26) 와 구리판 (22, 23) 의 접합되는 면은, 미리 평활한 면으로 되어 있으므로, 접합 계면에 간극이 생기는 것을 억제할 수 있어, 활성 금속재 (26) 와 구리판 (22, 23) 을 확실하게 접합시킬 수 있다.
또, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (10), 파워 모듈 (1) 에 따르면, 세라믹스 기판 (11) 의 일방 면에 구리판 (22) 으로 이루어지는 회로층 (12) 이 형성되어 있으므로, 반도체 소자 (3) 로부터의 열을 확산시켜 세라믹스 기판 (11) 측으로 방산할 수 있다. 또한, 구리판 (22) 은 변형 저항이 크기 때문에, 히트 사이클이 부하되었을 때에, 회로층 (12) 의 변형이 억제되고, 반도체 소자 (3) 와 회로층 (12) 을 접합시키는 접합층 (2) 의 변형을 억제하여 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또, 세라믹스 기판 (11) 의 타방 면에 구리판 (23) 으로 이루어지는 금속층 (13) 이 형성되어 있으므로, 반도체 소자 (3) 로부터의 열을 효율적으로 히트싱크 (30) 측에 전달할 수 있다.
(제 2 실시형태)
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해 설명한다. 또, 제 1 실시형태와 동일한 구성의 것에 대해서는, 동일한 부호를 붙여 기재하여 상세한 설명을 생략한다.
도 5 에, 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 을 구비한 파워 모듈 (101) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (101) 은, 회로층 (112) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (110) 과, 회로층 (112) 의 일방 면 (도 5 에 있어서 상면) 에 접합층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 파워 모듈용 기판 (110) 의 타방 측 (도 5 에 있어서 하측) 에 배치된 히트싱크 (130) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (110) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방 면 (도 5 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (112) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방 면 (도 5 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (113) 을 구비하고 있다.
회로층 (112) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 일방 면에 도전성을 갖는 구리 또는 구리 합금의 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (112) 은, 순도 99.99 질량% 이상의 구리의 압연판을 접합시킴으로써 형성되어 있다. 또, 회로층 (112) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.4 ㎜ 로 설정되어 있다.
금속층 (113) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방 면에 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 제 2 실시형태에 있어서는, 금속층 (113) 은, 순도 99.99 질량% 이상의 알루미늄의 압연판을 접합시킴으로써 형성되어 있다. 또, 금속층 (113) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 2.1 ㎜ 로 설정되어 있다.
히트싱크 (130) 는 전술한 파워 모듈용 기판 (110) 으로부터의 열을 방산하기 위한 것이다. 본 실시형태에 있어서는, 히트싱크 (130) 는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되어 있고, 본 실시형태에서는 A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다. 이 히트싱크 (130) 에는 냉각용 유체가 흐르기 위한 유로 (131) 가 형성되어 있다. 또, 이 히트싱크 (130) 와 금속층 (113) 이 Al-Si 계 납재에 의해 접합되어 있다.
다음으로, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈 (101) 의 제조 방법에 대해 도 6 의 플로우도 및 도 7 을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방 면 (도 7 에 있어서 상면) 에, 용가재 (25), 활성 금속재 (26) 및 회로층 (112) 이 되는 구리판 (122) 을 차례로 적층시킨다 (제 1 적층 공정 S11). 즉, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (122) 사이에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 측에 용가재 (25) 를 배치하고, 구리판 (122) 측에 활성 금속재 (26) 를 배치하고 있다.
여기서, 제 2 실시형태에 있어서는, 용가재 (25) 로서 Cu-P-Sn-Ni 계 납재박 (Cu-7 mass% P-15 mass% Sn-10 mass% Ni) 을 사용하고 있다. 이 용가재 (25) 의 두께는 5 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하의 범위로 되어 있다.
또, 제 2 실시형태에 있어서는, 활성 금속재 (26) 로서 Ti 박을 사용하고 있다. 활성 금속재 (26) 의 두께는 1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하의 범위로 되어 있다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11), 용가재 (25), 활성 금속재 (26) 및 구리판 (122) 을 적층 방향으로 압력 1 ∼ 35 kgf/㎠ (98 ∼ 3430 kPa) 로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다 (제 1 가열 처리 공정 S12). 여기서, 본 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도는 560 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간은 30 분 이상 360 분 이하의 범위로 설정되어 있다.
이와 같이 하여 세라믹스 기판 (11) 의 일방 면에 구리판 (122) 이 접합되어 회로층 (112) 이 형성된다.
이어서, 세라믹스 기판 (11) 의 타방 면 (도 7 에 있어서 하면) 에, 도 7 에 나타내는 바와 같이 Al-Si 계 납재 (127) 를 개재하여 금속층 (113) 이 되는 알루미늄판 (123) 을 적층시킨다 (제 2 적층 공정 S13). 제 2 실시형태에 있어서, 제 2 적층 공정 S13 에서는, 도 7 에 나타내는 바와 같이 알루미늄판 (123) 하방에 추가로 Al-Si 계 납재 (127) 를 개재하여 히트싱크 (130) 를 적층시켰다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11), 알루미늄판 (123) 및 히트싱크 (130) 를 적층 방향으로 압력 1 ∼ 35 kgf/㎠ (98 ∼ 3430 kPa) 로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다 (제 2 가열 처리 공정 S14). 여기서, 본 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도는 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간은 30 분 이상 180 분 이하의 범위로 설정되어 있다.
이와 같이 하여 세라믹스 기판 (11) 의 타방 면에 알루미늄판 (123) 이 접합되어 금속층 (113) 이 형성되고, 제 2 실시형태의 파워 모듈용 기판 (110) 이 제조되고, 추가로 이 파워 모듈용 기판 하측에 히트싱크 (130) 가 접합된다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (110) 의 회로층 (112) 상면에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 접합시킨다 (반도체 소자 접합 공정 S15).
이와 같이 하여 제 2 실시형태의 파워 모듈 (101) 이 제조된다.
본 실시형태의 파워 모듈용 기판 (110) 의 제조 방법에 따르면, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (122) 사이에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 측에 융점이 710 ℃ 이하인 용가재 (25) 를 배치하고, 구리판 (122) 측에 활성 금속재 (26) (Ti 재) 를 배치한 상태에서 가열 처리를 실시하므로, 가열시에 용가재 (25) 가 용융된 액상에 Ti 가 용해되어, 용가재 (25) 의 액상과 세라믹스 기판 (11) 의 젖음성이 양호해진다.
따라서, 용가재 (25) 의 액상이 응고되었을 때에, 용가재 (25) 와 세라믹스 기판 (11) 의 접합 신뢰성이 향상된다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 활성 금속재 (26) 와 구리판 (122) 을 적층시키고, 가압한 상태에서 온도 560 ℃ 이상 650 ℃ 이하로 가열하여 유지하므로, 활성 금속재 (26) 와 구리판 (122) 을 고상 확산 접합시킬 수 있다.
추가로, 파워 모듈용 기판 (110) 및 파워 모듈 (101) 에 따르면, 세라믹스 기판 (11) 의 타방 면에 알루미늄판 (123) 으로 이루어지는 금속층 (113) 이 형성되어 있으므로, 냉열 사이클이 부하되었을 때에 파워 모듈용 기판 (110) 과 히트싱크 (130) 사이에 발생되는 열응력을 금속층 (113) 에 의해 흡수할 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했는데, 본 발명은 이것에 한정되지는 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경할 수 있다.
또, 상기 실시형태에서는, 세라믹스 기판의 타방 면에 금속층을 형성하는 경우에 대해 설명했는데, 금속층은 형성되어 있지 않아도 된다.
또한, 상기 실시형태에서는, 용가재는, 융점이 710 ℃ 이하인 Cu-P-Sn-Ni 계 납재로 되어 있는 경우에 대해 설명했는데, 용가재는 융점 (고상선 온도) 710 ℃ 이하이며 또한 액상선 온도 450 ℃ 이상의 납재로 되어 있어도 된다. 구체적으로는 이 납재는, Cu-P 계 납재, Cu-Sn 계 납재, Cu-Al 계 납재 중에서 선택되는 어느 1 종이어도 된다. 또, Cu-P 계 납재로서는, 예를 들어 Cu-P 납재, Cu-P-Sn 납재 등을 사용할 수 있다. 이와 같은 납재를 사용한 경우, 납재의 융점이 낮기 때문에, 저온 조건에서도 확실하게 세라믹스 부재와 구리 부재의 접합을 실시할 수 있다.
또, 용가재는, 액상선 온도 450 ℃ 미만의 땜납재로 되어 있어도 된다. 구체적으로는, 이 땜납재는 Cu-P-Sn-Ni 계 땜납재 또는 Cu-Sn 계 땜납재여도 된다. 이와 같은 땜납재를 사용한 경우, 땜납재의 융점이 납재보다 낮기 때문에, 보다 저온 조건에서도 세라믹스 부재와 구리 부재의 접합을 실시할 수 있다.
또한, 세라믹스 부재측에 활성 금속재를 배치하고, 구리 부재측에 납재를 배치하여 가열 처리를 함으로써, 세라믹스 부재와 구리 부재를 접합시킬 수도 있다. 예를 들어, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 부재 (211) 상에 스퍼터링 등에 의해 활성 금속재 (226) 를 배치하고, 활성 금속재 (226) 와 구리 부재 (222) 사이에 용가재 (225) 를 배치하여 이것들을 적층시키고, 적층 방향으로 가압하여 가열 처리를 실시함으로써 활성 금속재 (226) 와 구리 부재 (222) 를 접합시킬 수 있다.
또, 상기 실시형태에서는, 파워 모듈용 기판의 타방 면에 히트싱크를 접합시키는 경우에 대해 설명했는데, 히트싱크는 접합되어 있지 않아도 된다.
또한, 상기 실시형태에서는, 파워 모듈용 기판과 히트싱크를 땜납재 또는 납재로 접합시키는 경우에 대해 설명했는데, 파워 모듈용 기판과 히트싱크 사이에 그리스를 개재하여 나사 고정 등에 의해 고정시켜도 된다.
또, 제 2 실시형태에서는, 금속층과 히트싱크를 동시에 접합시키는 경우에 대해 설명했는데, 금속층을 먼저 접합시킨 후에, 히트싱크를 금속층에 접합시켜도 된다.
실시예
이하에, 본 발명의 효과를 확인하기 위해 실시한 확인 실험의 결과에 대해 설명한다.
본 발명예 1 ∼ 10 에 대해서는, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜ × 0.635 ㎜t (두께)) 의 일방 면 및 타방 면에 표 1 에 나타내는 용가재, 활성 금속재, 순도 99.99 % 의 구리로 이루어지는 구리판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 0.3 ㎜t) 을 적층시킨다.
본 발명예 11 에 대해서는 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜ × 0.635 ㎜t) 의 일방 면에 표 1 에 나타내는 용가재, 활성 금속재, 순도 99.99 % 의 구리로 이루어지는 구리판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 0.3 ㎜t) 을 적층시켰다.
또, 활성 금속의 위치가 구리 부재측 (구리판측) 으로 되어 있는 본 발명예 1 ∼ 9 및 본 발명예 11 에 대해서는, 세라믹스 기판/용가재/활성 금속재/구리판의 순서로 적층시키고, 활성 금속의 위치가 세라믹스 기판측으로 되어 있는 본 발명예 10 에 대해서는 세라믹스 기판/활성 금속재/용가재/구리판의 순서로 적층시켰다.
그리고, 본 발명예 1 ∼ 10 에 대해서는, 적층 방향으로 압력 15 kgf/㎠ (1470 kPa) 로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하여 가열함으로써, 세라믹스 기판의 일방 면 및 타방 면에 구리판을 접합시켜 회로층 및 금속층을 형성하였다. 여기서, 진공 가열로 내의 압력을 10-6 Pa 이상, 10-3 Pa 이하의 범위 내로 설정하고, 가열 온도 및 가열 시간은 표 1 에 나타내는 조건으로 하였다. 이와 같이 하여 본 발명예 1 ∼ 9 의 파워 모듈용 기판을 얻었다.
본 발명예 11 에 대해서는 적층 방향으로 압력 15 kgf/㎠ (1470 kPa) 로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하여 가열함으로써, 세라믹스 기판의 일방 면에 구리판을 접합시켜 회로층을 형성하였다. 여기서, 진공 가열로 내의 압력을 10-6 Pa 이상, 10-3 Pa 이하의 범위 내로 설정하고, 가열 온도 및 가열 시간은 표 1 에 나타내는 조건으로 하였다. 냉각 후, 세라믹스 기판의 타방 면에 Al-Si 계 납재를 개재하여 순도 99.99 질량% 의 알루미늄으로 이루어지는 알루미늄판을 적층시키고, 적층 방향으로 5 kgf/㎠ (490 kPa) 로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하여 640 ℃ 에서 30 분간 가열함으로써, 세라믹스 기판의 타방 면에 알루미늄판을 접합시켜, 본 발명예 11 의 파워 모듈 기판을 얻었다.
이어서, 상기 서술한 파워 모듈용 기판의 금속층의 타방 면측에 히트싱크를 접합시켰다. 히트싱크는, 인탈산구리로 이루어지는 구리판 (50 ㎜ × 60 ㎜ × 5 ㎜t) 으로 하였다. 접합 조건은, Sn-Sb 계 땜납재를 사용하여 270 ℃ 에서 가열하는 것에 의한 접합으로 하였다.
이와 같이 하여 본 발명예 1 ∼ 11 의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 제작하였다.
상기 서술한 바와 같이 하여 얻어진 본 발명예의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 대해, 회로층과 세라믹스 기판의 접합률 및 냉열 사이클 시험 후의 회로층과 세라믹스 기판의 접합률을 평가하였다. 냉열 사이클의 시험 방법과 접합률의 평가 방법을 이하에 설명한다.
(냉열 사이클 시험)
냉열 사이클 시험은, 냉열 충격 시험기 에스펙사 제조 TSB-51 을 사용하여, 액상 (플루오리너트) 중에서 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 -40 ℃ 의 온도 환경하에 5 분 유지한 후, 125 ℃ 까지 가온시켜 동 온도 환경하에 5 분 유지하고, 다시 -40 ℃ 의 온도 환경하로 되돌리는 프로세스를 1 사이클로 하여 이 온도 변화의 프로세스를 3000 사이클 실시하였다.
(세라믹스 기판과 회로층의 접합률 평가)
히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 대해, 세라믹스 기판과 회로층의 계면의 접합률에 대해 초음파 탐상 장치를 사용하여 평가하고, 이하의 식으로부터 산출하였다.
여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적, 즉 본 실시예에서는 회로층의 면적으로 하였다. 초음파 탐상 이미지에 있어서 박리는 접합부 내의 백색부로 나타내기 때문에, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 하였다. 또, 세라믹스 기판 및 회로층에 크랙이 발생한 경우, 이 크랙은 초음파 탐상 이미지에 있어서 백색부로 나타내고, 크랙도 박리 면적으로서 평가되게 된다.
이상의 평가 결과를 표 1 에 나타낸다.
융점이 710 ℃ 이하인 용가재를 사용한 본 발명예 1 ∼ 11 에 있어서는, 초기 접합률은 높고, 냉열 사이클이 부하된 후에도 높은 접합률을 유지하고 있어, 파워 모듈용 기판이 얻어지는 것이 확인되었다.
산업상 이용가능성
본 발명은 세라믹스 부재와 구리 부재를 저온에서 접합시킬 수 있고, 또한 제조 비용이 저렴한 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
10, 110 : 파워 모듈용 기판
11 : 세라믹스 기판 (세라믹스 부재)
12, 112 : 회로층 (구리 부재)
13 : 금속층 (구리 부재)
25, 225 : 용가재
26, 226 : 활성 금속재
113 : 금속층
211 : 세라믹스 부재
222 : 구리 부재
11 : 세라믹스 기판 (세라믹스 부재)
12, 112 : 회로층 (구리 부재)
13 : 금속층 (구리 부재)
25, 225 : 용가재
26, 226 : 활성 금속재
113 : 금속층
211 : 세라믹스 부재
222 : 구리 부재
Claims (16)
- 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재가 접합되어 이루어지는 접합체의 제조 방법으로서,
활성 금속재 및 융점이 710 ℃ 이하인 용가재를 개재하여 상기 세라믹스 부재와 상기 구리 부재를 적층시키는 적층 공정과,
적층된 상기 세라믹스 부재 및 상기 구리 부재를 가열 처리하는 가열 처리 공정을 구비하고,
상기 용가재가 액상선 온도 450 ℃ 이상의 납재 또는 액상선 온도 450 ℃ 미만의 땜납재이고,
상기 납재는, Cu-P 계 납재, 또는 Cu-Al 계 납재 중에서 선택되는 어느 1 종이고,
상기 땜납재는, Cu-P-Sn-Ni 계 땜납재인, 접합체의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 적층 공정에 있어서, 상기 세라믹스 부재측에 상기 용가재를 배치하고, 상기 구리 부재측에 상기 활성 금속재를 배치하는, 접합체의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 활성 금속재는 Ti 재인, 접합체의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 가열 처리 공정에서는, 적층된 상기 세라믹스 부재 및 상기 구리 부재를 적층 방향으로 압력 1 ∼ 35 kgf/㎠ 로 가압한 상태에서 가열 처리하는, 접합체의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 가열 처리 공정의 가열 온도는, 560 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내인, 접합체의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 용가재는 Ag 를 함유하지 않는, 접합체의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 용가재는, 상기 구리 부재와 직접 접촉하고 있지 않는, 접합체의 제조 방법. - 세라믹스 기판의 일방 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 회로층이 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
상기 세라믹스 기판과 상기 회로층을, 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 접합체의 제조 방법에 의해 접합시키는, 파워 모듈용 기판의 제조 방법. - 세라믹스 기판의 일방 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 회로층이 형성되고, 타방 면에는 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속층이 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
상기 세라믹스 기판과 상기 회로층 및 상기 세라믹스 기판과 상기 금속층을 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 접합체의 제조 방법에 의해 접합시키는, 파워 모듈용 기판의 제조 방법. - 세라믹스 기판의 일방 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 회로층이 형성되고, 타방 면에는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속층이 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
상기 세라믹스 기판과 상기 회로층을 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 접합체의 제조 방법에 의해 접합시키고,
상기 회로층을 상기 세라믹스 기판의 일방 면에 접합시킨 후에, 상기 금속층을 상기 세라믹스 기판의 타방 면에 접합시키는, 파워 모듈용 기판의 제조 방법. - 삭제
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