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KR102300970B1 - 접합체의 제조 방법, 다층 접합체의 제조 방법, 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 적층체의 제조 장치 - Google Patents

접합체의 제조 방법, 다층 접합체의 제조 방법, 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 적층체의 제조 장치 Download PDF

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KR102300970B1
KR102300970B1 KR1020177002020A KR20177002020A KR102300970B1 KR 102300970 B1 KR102300970 B1 KR 102300970B1 KR 1020177002020 A KR1020177002020 A KR 1020177002020A KR 20177002020 A KR20177002020 A KR 20177002020A KR 102300970 B1 KR102300970 B1 KR 102300970B1
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manufacturing
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heat sink
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도모야 오오히라키
소타로 오이
기미히토 니시카와
Original Assignee
미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 금속판끼리 및 금속판과 세라믹스판을 접합할 때에, 각 부재의 접합면끼리의 위치 어긋남을 방지하여, 이들 접합체를 효율적으로 제조할 수 있는 접합체의 제조 방법 및, 이것을 파워 모듈용 기판에 응용한 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공한다.
(해결 수단) 구리 회로판 (제 1 부재) (30) 또는 세라믹스 기판 (제 2 부재) (20) 의 어느 일방에 포화 지방산을 주성분으로 하는 가고정재 (40) 를 도포해 두고, 용융시킨 가고정재 (40) 를 개재하여 구리 회로판 (30) 과 세라믹스 기판 (20) 을 적층하여 위치 맞춤하고, 가고정재 (40) 를 냉각시킴으로써 적층된 구리 회로판 (30) 과 세라믹스 기판 (20) 을 가고정한 적층체 (80) 를 형성하는 적층 공정과, 적층체 (80) 를 적층 방향으로 가압하여 가열함으로써 구리 회로판 (30) 과 세라믹스 기판 (20) 을 접합한 접합체를 형성하는 접합 공정을 갖는다.

Description

접합체의 제조 방법, 다층 접합체의 제조 방법, 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 적층체의 제조 장치{JOINED BODY MANUFACTURING METHOD, MULTILAYER JOINED BODY MANUFACTURING METHOD, POWER-MODULE SUBSTRATE MANUFACTURING METHOD, HEAT SINK EQUIPPED POWER-MODULE SUBSTRATE MANUFACTURING METHOD, AND LAMINATED BODY MANUFACTURING DEVICE}
본 발명은 대전류, 고전압을 제어하는 반도체 장치용의 파워 모듈용 기판을 제조하기 위해 사용되는 복수 부재로 이루어지는 적층체의 제조 방법, 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 적층체의 제조 장치에 관한 것이다.
본원은 일본에 2014년 7월 2일에 출원된 일본 특허출원 2014-136646호, 2014년 11월 20일에 출원된 일본 특허출원 2014-235949호, 및 2015년 6월 30일에 출원된 일본 특허출원 2015-130973호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
종래, 파워 모듈용 기판으로서, 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로판이 적층 상태로 접합됨과 함께, 타방의 면에 방열판이 적층 상태로 접합된 것이 알려져 있다. 이 파워 모듈용 기판은, 회로판 상에 반도체 칩 (파워 소자) 등의 전자 부품이 솔더링되고, 방열판에 히트 싱크가 접합됨으로써, 파워 모듈로서 제공된다.
이와 같은 파워 모듈용 기판에 있어서, 세라믹스 기판에 회로판이나 방열판이 되는 금속판을 적층 상태로 접합하는 방법으로서, 예를 들어 특허문헌 1 또는 2 에 기재된 기술이 있다.
특허문헌 1 에는, 절연층과, 이 절연층의 일방의 면에 형성된 회로층을 구비한 파워 모듈용 기판의 제조 방법이 개시되어 있다. 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서는, 절연층의 일방의 면에 알루미늄층을 배치 형성한 후에, 그 알루미늄층에 구리층을 적층하여 회로층을 형성하는 회로층 형성 공정을 구비하고 있고, 알루미늄층과 구리층을 하중을 부하한 상태로 가열 유지함으로써 고상 확산 접합하고 있다.
특허문헌 2 에서는, 금속 평판의 편면에 수지 코팅층 (유기물 수지로서 옥탄디올을 함유) 을 개재하여 브레이징재 (brazing filler material) 박 (箔) 을 첩부 (貼付) 해두고, 이들 금속 평판과 브레이징재박을 중첩한 것을 회로층의 외형으로 타발 성형하고, 회로층에 첩부된 브레이징재박을 세라믹스 평판에 중첩함으로써, 브레이징재박을 개재하여 회로층과 세라믹스 평판을 적층하여 접합하고 있다.
일본 공개특허공보 2013-229545호 일본 공개특허공보 2010-10561호
특허문헌 1 에 기재된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에서는, 절연층에 알루미늄층을 접합한 후에 구리층을 적층하고 있는데, 알루미늄층과 구리층을 직접 적층하는 것만으로는, 가압 지그에 대한 장착이나 가압시에 이들 금속끼리가 가로 방향으로 미끄러져, 위치 어긋남이 발생하기 쉽다 (가로 어긋남). 또, 특허문헌 2 에 기재된 방법과 같이 옥탄디올을 사용하는 경우에는, 옥탄디올이 상온에서는 액체인 점에서, 밀착성을 충분히 확보하지 못하여 가로 어긋남을 발생시킬 우려가 있다. 또한, 부재 간에 있어서의 가로 어긋남의 문제는, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크를 적층할 때 (금속끼리의 적층) 나, 세라믹스 기판 등의 절연층과 금속의 적층시에도 일어날 수 있다.
그리고, 이 부재 간에 발생하는 가로 어긋남에 의한 적층 위치 정밀도의 악화는, 방열 성능의 저하 (열저항의 증가) 로 이어지는 점에서, 위치 어긋남 방지의 기술이 바람직하다.
본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 금속판끼리 및 금속판과 세라믹스판을 접합할 때에, 각 부재의 접합면끼리의 위치 어긋남을 방지하여, 이들 접합체를 효율적으로 제조할 수 있는 접합체의 제조 방법을 제공함과 함께, 이것을 파워 모듈용 기판에 응용한 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 제공을 목적으로 한다.
본 발명은, 금속판으로 이루어지는 제 1 부재와, 하나 이상의 금속판 또는 세라믹스판을 포함하는 제 2 부재 중 어느 것에, 포화 지방산을 주성분으로 하는 가(假)고정재를 도포해 두고, 상기 가고정재를 용융시킨 상태로 상기 가고정재를 개재하여 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 적층하여 위치 맞춤하고, 상기 가고정재를 냉각시킴으로써, 적층된 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 가고정한 적층체를 형성하는 적층 공정과, 상기 적층체를 적층 방향으로 가압하여 가열함으로써, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 접합한 접합체를 형성하는 접합 공정을 갖는다.
이 제조 방법에 있어서는, 포화 지방산을 주성분으로 하는 가고정재에 의해 제 1 부재와 제 2 부재를 가고정하므로, 그 후의 접합 공정에 있어서도, 제 1 부재와 제 2 부재가 어긋나지 않고 위치 결정된 상태로 유지된다. 따라서, 그 후의 취급을 용이하게 하여 생산성이 향상됨과 함께, 각 부재를 정확하게 위치 결정한 상태로 접합할 수 있다.
상온에서 고체인 포화 지방산을 사용한 가고정재는 가열에 의해 용융시켜 액화된다. 이 때문에, 제 1 부재와 제 2 부재의 적층 후에, 상온으로 냉각시킴으로써 가고정재를 고화시켜, 제 1 부재와 제 2 부재를 용이하게 접착할 수 있다. 또, 접합 공정에 있어서는, 포화 지방산은 접합 온도보다 충분히 낮은 온도에서 신속하게 분해되므로, 제 1 부재와 제 2 부재의 접합면에 영향을 미치는 일도 없다.
또한, 포화 지방산은 액화된 용융 상태에서는 유동성이 높아, 제 1 부재와 제 2 부재를 중첩함으로써 이들 사이에서 신속하게 적시면서 확산되어, 밀착시킨 상태로 양호한 접합성을 유지할 수 있다.
따라서, 금속판끼리 및 금속판과 세라믹스판 등에 의해 구성되는 제 1 부재와 제 2 부재를 접합할 때에, 각 부재의 접합면끼리의 위치 어긋남을 방지할 수 있어, 이들 접합체를 효율적으로 제조할 수 있다.
본 발명의 접합체의 제조 방법에 있어서, 상기 가고정재의 상기 포화 지방산은, 탄소수가 10 이상 30 이하이면 된다.
탄소수 10 미만에서는 상온에서 액체로 되기 때문에 취급성이 나쁘고, 30 을 초과하면 융점이 높아지기 때문에, 제 1 부재나 제 2 부재에 대한 도포 작업성이 나빠진다. 탄소수가 10 이상 30 이하인 포화 지방산은, 융점이 32 ℃ ∼ 94 ℃ 정도로 상온에서 고화된 상태이지만, 비교적 낮은 가열 온도에서 액화시키는 것이 가능하기 때문에 취급성이 우수하다.
탄소수가 10 이상 30 이하인 포화 지방산으로는, 예를 들어 탄소수 10 의 카프르산, 탄소수 12 의 라우르산, 탄소수 14 의 미리스트산, 탄소수 16 의 팔미트산, 탄소수 18 의 스테아르산, 탄소수 30 의 멜리스산 등을 들 수 있다. 또한, 이들 포화 지방산은 저렴하고 입수도 용이하다는 이점도 있다.
본 발명의 접합체의 제조 방법에 있어서, 상기 제 1 부재 또는 상기 제 2 부재 중 어느 표면에 접합재층이 형성되어 있고, 상기 적층 공정에 있어서 상기 접합재층 및 상기 가고정재를 개재하여 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 적층하면 된다.
전술한 접합체의 제조 방법을 적용한 본 발명에 관련된 다층 접합체의 제조 방법은, 상기 접합 공정 전에, 상기 적층 공정에 의해 형성된 상기 적층체에 금속판으로 이루어지는 제 3 부재를 가고정하는 제 2 적층 공정을 갖고, 상기 제 2 적층 공정에 있어서, 상기 적층체 또는 상기 제 3 부재 중 어느 것에, 상기 가고정재보다 저융점의 포화 지방산을 주성분으로 하는 제 2 가고정재를 도포해 두고, 상기 적층체와 상기 제 3 부재를 적층할 때에 상기 가고정재의 용융 온도보다 낮은 온도에서 상기 제 2 가고정재를 용융시키고, 상기 적층체와 상기 제 3 부재를 위치 맞춤하여 적층한 후에 상기 제 2 가고정재를 냉각시킴으로써, 상기 적층체와 상기 제 3 부재를 가고정시킨 제 2 적층체를 형성하고, 상기 접합 공정에 있어서, 상기 제 2 적층체를 그 적층 방향으로 가압하여 가열함으로써, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 접합한 상기 접합체에 대하여 추가로 상기 제 3 부재를 접합한 다층 접합체를 형성한다.
본 발명의 다층 접합체의 제조 방법에 있어서도, 상기 가고정재의 포화 지방산은, 탄소수가 10 이상 30 이하이면 된다. 또, 상기 제 1 부재 또는 상기 제 2 부재 중 어느 표면에 접합재층이 형성되어 있고, 상기 적층 공정에 있어서 상기 접합재층 및 상기 가고정재를 개재하여 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 적층해도 된다. 또한, 상기 제 2 적층체 또는 상기 제 3 부재 중 어느 표면에 제 2 접합재층이 형성되어 있고, 상기 제 2 적층 공정에 있어서 상기 제 2 가고정재 및 상기 제 2 접합재층을 개재하여 상기 적층체와 상기 제 3 부재를 적층하면 된다.
본 발명의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 전술한 다층 접합체의 제조 방법을 적용한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 제 1 부재를 구리 또는 알루미늄으로 이루어지는 회로판으로 하고, 상기 제 2 부재를 세라믹스판의 양면에 알루미늄 금속층을 적층하여 이루어지는 세라믹스 기판으로 하고, 상기 제 3 부재를 구리 또는 알루미늄으로 이루어지는 히트 싱크로 하여, 상기 접합 공정에 있어서, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재의 상기 알루미늄 금속층의 일방을 접합함과 함께, 상기 제 2 부재의 상기 알루미늄 금속층의 타방과 상기 제 3 부재를 접합하여, 상기 다층 접합체로서 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 형성한다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 전술한 접합체의 제조 방법을 적용한 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 제 1 부재를 구리 회로판으로 하고, 상기 제 2 부재를 세라믹스판의 양면에 알루미늄 금속층을 적층하여 이루어지는 세라믹스 기판으로 하고, 상기 접합 공정에 있어서 상기 제 2 부재의 상기 알루미늄 금속층의 일방과 상기 제 1 부재를 접합하여, 상기 접합체로서 파워 모듈용 기판을 형성한다.
본 발명의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 전술한 접합체의 제조 방법을 적용한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 제 1 부재를 구리 또는 알루미늄으로 이루어지는 히트 싱크로 하고, 상기 제 2 부재를 세라믹스판의 양면에 금속층을 적층하여 이루어지는 파워 모듈용 기판으로 하고, 상기 접합 공정에 있어서 상기 제 2 부재의 상기 금속층의 일방과 상기 제 1 부재를 접합하여, 상기 접합체로서 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 형성한다.
이 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서, 상기 적층 공정 전에, 상기 접합재층을 상기 제 1 부재 또는 상기 제 2 부재 중 어느 표면에 접합재층용 가고정재에 의해 가고정시키고, 상기 적층 공정에 있어서, 상기 가고정재는, 상기 접합재층이 형성되어 있지 않은 상기 제 1 부재 또는 상기 제 2 부재 중 어느 것에 도포해도 된다.
본 발명의 적층체의 제조 장치는, 금속판으로 이루어지는 제 1 부재와, 적어도 하나의 금속판 또는 세라믹스판을 포함하는 제 2 부재를, 이들 제 1 부재 및 제 2 부재의 어느 일방 상에 형성된 포화 지방산을 주성분으로 하는 가고정재에 의해, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 중첩한 상태로 가고정하는 적층체의 제조 장치로서, 상기 제 1 부재 또는 상기 제 2 부재 중 상기 가고정재가 형성된 일방을 타방의 위로 반송하여, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 적층하는 적층 수단과, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 적층할 때의 상기 가고정재를 용융시키는 가열 수단을 구비한다.
상온에서 고체인 포화 지방산을 사용한 가고정재는 가열에 의해 용융되므로, 제 1 부재와 제 2 부재를 적층할 때에 가열 상태로 하는 것이 필요하다. 이 때문에, 제 1 부재와 제 2 부재를 적층할 때에 가고정재를 가열하는 가열 수단을 형성함으로써, 효율적으로 제 1 부재와 제 2 부재를 고정시킬 수 있다.
또, 본 발명의 적층체의 제조 장치는, 금속판으로 이루어지는 제 1 부재와, 적어도 하나의 금속판 또는 세라믹스판을 포함하는 제 2 부재를, 이들 제 1 부재 및 제 2 부재의 어느 일방 상에 형성된 포화 지방산을 주성분으로 하는 가고정재에 의해, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 중첩한 상태로 가고정하는 적층체의 제조 장치로서, 상기 제 1 부재 또는 상기 제 2 부재 중 상기 가고정재가 형성된 일방의 위로 타방을 반송하여, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 적층하는 적층 수단과, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 적층할 때에 상기 가고정재를 용융시키는 가열 수단을 구비한다.
가고정재의 주성분인 포화 지방산은, 액화된 용융 상태에서는 유동성이 높은 점에서, 가고정재를 형성한 일방의 판을 반송하는 경우에는, 용융 상태의 가고정재가 접착 지점 이외의 불필요한 위치에 부착되는 것을 방지하기 위해, 양 부재를 적층하기 직전까지 가고정재는 고화시킨 상태로 하는 것이 바람직하다. 그래서, 본 발명의 접합체의 제조 장치에서는, 가고정재를 형성한 일방의 판이 아니라 타방의 판을 반송함으로써, 가고정재가 형성된 일방의 판을 정지 상태로 할 수 있기 때문에, 가고정재가 불필요한 위치에 부착되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 효율적으로 제 1 부재와 제 2 부재를 고착할 수 있다.
본 발명의 적층체의 제조 장치에 있어서, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재의 적층 후에 상기 가고정재를 냉각시키는 냉각 수단을 구비하면 된다.
용융 상태의 가고정재를 자연 냉각에 의해 고화시킴으로써, 제 1 부재와 제 2 부재를 접착 상태로 할 수 있지만, 냉각 수단에 의해 적극적으로 냉각시킴으로써, 제 1 부재와 제 2 부재를 위치 맞춤한 상태를 즉시 확정시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 금속판끼리 및 금속판과 세라믹스판을 접합할 때에, 각 부재의 접합면끼리의 위치 어긋남을 방지할 수 있으므로, 이들 접합체를 효율적으로 제조할 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서 제조되는 파워 모듈용 기판의 단면도이다.
도 2 는, 도 1 의 파워 모듈용 기판의 제조 공정을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 3 은, 본 발명에 관련된 적층체의 제조 장치를 설명하는 모식도이다.
도 4 는, 본 발명의 제 2 실시형태의 제조 방법을 설명하는 모식도이다.
도 5 는, 본 발명의 제 3 실시형태의 제조 방법을 설명하는 모식도이다.
도 6 은, 본 발명의 제 4 실시형태의 제조 방법을 설명하는 모식도이다.
도 7 은, 본 발명의 제 5 실시형태의 제조 방법을 설명하는 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다.
도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서 제조되는 파워 모듈용 기판 (10) 을 나타내고 있다.
이 파워 모듈용 기판 (본 발명의 접합체) (10) 은, 구리 회로판 (본 발명의 제 1 부재) (30) 과, 세라믹스판 (21) 의 양면에 알루미늄 금속층 (22, 23) 을 적층한 세라믹스 기판 (본 발명의 제 2 부재) (20) 을 구비하고, 세라믹스 기판 (20) 의 일방의 알루미늄 금속층 (22) 과 구리 회로판 (30) 이 접합되어 있다. 이 경우, 세라믹스 기판 (20) 의 세라믹스판 (21), 알루미늄 금속층 (22, 23) 및 구리 회로판 (30) 은 사각형 평면상으로 형성되어 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 에는, 구리 회로판 (30) 의 표면에 반도체 칩 등의 전자 부품 (60) 이 솔더링되고, 구리 회로판 (30) 과 반대측에 배치되는 알루미늄 금속층 (23) 에 히트 싱크 (50) 가 접합되어 파워 모듈이 된다.
세라믹스판 (21) 은, 예를 들어 AlN (질화알루미늄), Si3N4 (질화규소) 등의 질화물계 세라믹스, 혹은 Al2O3 (알루미나) 등의 산화물계 세라믹스를 모재로 하여 사각형 모양으로 형성되어 있다. 세라믹스판 (21) 의 두께는 0.125 ㎜ ∼ 1.0 ㎜ 가 된다.
알루미늄 금속층 (22, 23) 은, 순도 99.90 ％ 이상의 순알루미늄 또는 알루미늄 합금 (간단히 알루미늄이라고 칭한다) 에 의해 형성되며, 두께 0.1 ㎜ ∼ 3.0 ㎜ 이고, 통상적으로는 세라믹스판 (21) 보다 작은 사각형의 평판상으로 형성된다. 이 알루미늄 금속층 (22, 23) 은, 세라믹스판 (21) 에 Al-Si 계, Al-Ge 계, Al-Cu 계, Al-Mg 계 또는 Al-Mn 계 등의 브레이징재를 접합재로 하여 접합된다.
구리 회로판 (30) 은, 무산소구리나 터프피치구리 등의 순구리 또는 구리 합금 (본 발명에서는 간단히 구리라고 칭한다) 에 의해 형성되어 있다. 구리 회로판 (30) 의 두께는 0.1 ㎜ ∼ 5.0 ㎜ 가 된다. 이 구리 회로판 (30) 은, 후술하는 바와 같이 고상 확산 접합에 의해 세라믹스 기판 (20) 의 알루미늄 금속층 (22) 과 접합된다.
다음으로, 이와 같이 구성되는 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조에 사용되는 적층체의 제조 장치 (90) (도 3 참조) 에 대해 설명한다.
적층체의 제조 장치 (90) 는, 포화 지방산을 주성분으로 하는 가고정재 (40) 가 형성된 구리 회로판 (본 발명의 제 1 부재) (30) 을, 세라믹스 기판 (본 발명의 제 2 부재) (20) 의 알루미늄 금속층 (22) 에 가고정한 적층체 (80) 를 제조한다.
본 실시형태의 적층체의 제조 장치 (90) 는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (20) 을 재치하는 기대 (91) 와, 가고정재 (40) 가 형성된 구리 회로판 (30) 을 기대 (91) 상에 재치된 세라믹스 기판 (20) 상으로 반송함과 함께, 세라믹스 기판 (20) 과 위치 맞춤하여 구리 회로판 (30) 과 세라믹스 기판 (20) 을 적층하는 적층 수단 (95) 과, 구리 회로판 (30) 과 세라믹스 기판 (20) 을 적층할 때의 가고정재 (40) 를 용융하는 가열 수단 (96) 을 구비한다.
기대 (91) 에는, 도 3b 및 도 3c 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (20) 의 재치면에, 세라믹스 기판 (20) 의 측면을 둘러싸도록 복수의 가이드 핀 (92) 이 간격을 두고 수직 형성되어 있고, 이들 가이드 핀 (92) 으로 둘러싸인 영역에 세라믹스 기판 (20) 을 재치함으로써, 세라믹스 기판 (20) 이 기대 (91) 상에서 위치 결정되도록 되어 있다.
적층 수단 (95) 은, 도 3a 및 도 3b 에 나타내는 바와 같이, 예를 들어 xyz 축 방향으로 이동 가능하게 형성된 적층용 픽업 실린더에 의해 구성할 수 있다. 이 적층 수단 (95) 은, 부착면 (30a) 을 하향으로 한 상태의 구리 회로판 (30) 을, 세라믹스 기판 (20) 이 재치된 기대 (91) 상까지 반송하고, 구리 회로판 (30) 의 부착면 (30a) 을 기대 (91) 상의 세라믹스 기판 (20) 에 포갬으로써, 구리 회로판 (30) 과 세라믹스 기판 (20) 을 적층한다. 구체적으로는, 도 3a ∼ 도 3c 에 나타내는 바와 같이, 구리 회로판 (30) 의 부착면 (30a) 과는 반대측의 상면을 적층 수단 (95) 에 의해 에어 흡착함으로써, 구리 회로판 (30) 을 반송한다.
가열 수단 (96) 은, 도 3a 에 나타내는 바와 같이, 예를 들어 러버 히터에 의해 구성할 수 있다. 이 러버 히터 (가열 수단) (96) 에 구리 회로판 (30) 의 부착면 (30a) 을 대면시켜 배치함으로써, 부착면 (30a) 의 가고정재 (40) 를 가열하여 용융시킬 수 있다.
적층 수단 (95) 에는, 구리 회로판 (30) 의 반송시에 있어서, 가고정재 (40) 의 용융 상태를 관측하기 위한 측온 수단 (97) 이 구비되어 있다. 측온 수단 (97) 에 의해 구리 회로판 (30) 의 온도를 측정함으로써, 가열 수단 (96) 에 의한 구리 회로판 (30) 의 가열시, 구리 회로판 (30) 과 세라믹스 기판 (20) 의 적층 전후의 각 타이밍에 있어서의 가고정재 (40) 의 용융 상태를 확인할 수 있다. 측온 수단 (97) 으로는, 예를 들어 적외선 방사 온도계를 사용할 수 있고, 본 실시형태에서는, 적층 수단 (95) 에 유지된 구리 회로판 (30) 의 온도를 측정한다.
적층체의 제조 장치 (90) 에는, 구리 회로판 (30) 과 세라믹스 기판 (20) 의 적층 후에, 이들을 냉각시키는 냉각 수단 (98) 이 형성되어 있다. 냉각 수단 (98) 은, 도 3c 에 나타내는 바와 같이, 예를 들어 에어를 분사하는 냉각 노즐에 의해 구성할 수 있고, 적층 수단 (95) 에 형성되어 있다.
다음으로, 상기 서술한 적층체의 제조 장치 (90) 를 사용하여 적층체 (80) 를 형성하고, 파워 모듈용 기판 (10) 을 제조하는 방법에 대해 설명한다.
(가고정재 도포 공정)
먼저, 구리 회로판 (제 1 부재) (30) 의 편면에, 도 2a 에 나타내는 바와 같이, 포화 지방산을 주성분으로 하는 가고정재 (40) 를 도포한다. 이 가고정재 (40) 에는, 탄소수 10 이상 30 이하이고, 상온 (25 ℃) 에서 고체이며, 비교적 저융점에서 액체로 상 (相) 변태하는 포화 지방산이 바람직하게 사용된다. 탄소수 10 미만에서는 상온에서 액체로 되기 때문에 취급성이 나쁘고, 30 을 초과하면 융점이 높아지기 때문에, 구리 회로판 (30) 에 대한 도포 작업성이 나빠지기 때문이다. 한편, 탄소수가 10 이상 30 이하인 포화 지방산은, 융점이 32 ℃ ∼ 94 ℃ 정도가 되어, 상온에서 고화된 상태이지만, 비교적 낮은 가열 온도에서 액화시키는 것이 가능하기 때문에 취급성이 우수하다.
탄소수가 10 이상 30 이하인 포화 지방산으로는, 예를 들어 탄소수 10 의 카프르산, 탄소수 12 의 라우르산, 탄소수 14 의 미리스트산, 탄소수 16 의 팔미트산, 탄소수 18 의 스테아르산, 탄소수 30 의 멜리스산 등을 들 수 있다. 또한, 이들 포화 지방산은 저렴하고 입수도 용이하다는 이점도 있다.
가고정재 (40) 의 구리 회로판 (30) 에 대한 도포 작업은, 도시는 생략하지만, 예를 들어 핫 실린더를 사용하여 실시된다. 핫 실린더에 있어서 가고정재 (40) 를 가온하여 용융 상태로 하고, 그 용융 상태의 가고정재 (40) 를 구리 회로판 (30) 의 표면에 있어서의 모서리부 등의 복수 지점에 적하한다. 그리고, 구리 회로판 (30) 에 적하한 가고정재 (40) 를 일단 상온까지 냉각시켜 고화시킴으로써, 가고정재 (40) 가 부착된 구리 회로판 (30) 을 형성한다.
(적층 공정)
다음으로, 도 2b 에 나타내는 바와 같이, 미리 가고정재 (40) 를 도포한 구리 회로판 (30) 과, 세라믹스 기판 (20) 의 알루미늄 금속층 (22) 을 중첩한 상태로 하고, 이 가고정재 (40) 에 의해 구리 회로판 (30) 과 세라믹스 기판 (20) 을 가고정한다.
구리 회로판 (30) 은, 적층 수단 (95) 에 의해 기대 (91) 상으로 반송되고 (도 3a, 3b), 기대 (91) 에 위치 결정 상태로 재치된 세라믹스 기판 (20) 의 알루미늄 금속층 (22) 에 겹쳐진다 (도 3c).
구리 회로판 (30) 의 반입시에는, 도포된 가고정재 (40) 는 고화되어 있다. 적층 수단 (95) 에 의한 구리 회로판 (30) 의 반송 경로의 도중에서, 구리 회로판 (30) 의 부착면 (30a) 을 러버 히터 (96) 에 대면시켜 가열함으로써, 가고정재 (40) 를 용융시킬 수 있다.
그리고, 가고정재 (40) 가 용융된 상태에서, 도 2b 및 도 3c 에 나타내는 바와 같이, 구리 회로판 (30) 을 세라믹스 기판 (20) 에 적층한다. 이때, 구리 회로판 (30) 에 부착된 가고정재 (40) 는, 세라믹스 기판 (20) 과 적층됨으로써, 구리 회로판 (30) 과 알루미늄 금속층 (22) 사이에 얇게 펴져서 층상이 되어 밀착한다. 그리고, 가고정재 (40) 는, 가열되어 있지 않은 알루미늄 금속층 (22) 에 접촉함으로써 냉각되어 고화된다. 이로써, 구리 회로판 (30) 과 세라믹스 기판 (20) 을 정확하게 위치 결정한 상태로 고착 (가고정) 된 적층체 (80) 가 얻어진다.
또한, 가고정재 (40) 는, 상기 서술한 바와 같이 자연 냉각에 의해 고화시킬 수도 있지만, 도 3c 에 나타내는 바와 같이 냉각 수단 (98) 에 의해 적극적으로 냉각시켜 고화시킬 수도 있다. 이 경우, 구리 회로판 (30) 과 세라믹스 기판 (20) 을 위치 맞춤한 상태를 즉시 확정시킬 수 있어, 작업성을 한층 향상시킬 수 있다.
(접합 공정)
그리고, 도 2c 에 나타내는 바와 같이, 구리 회로판 (30) 과 세라믹스 기판 (20) 이 가고정된 적층체 (80) 를 그 적층 방향으로 가압하고, 구리와 알루미늄의 공정 온도 미만에서 가열함으로써, 구리 회로판 (30) 과 세라믹스 기판 (20) 의 알루미늄 금속층 (22) 을, 구리와 알루미늄을 서로 확산시켜 고상 확산 접합에 의해 접합하여, 파워 모듈용 기판 (10) 을 제조할 수 있다. 구체적으로는, 진공 분위기 중에서, 하중 0.3 ㎫ ∼ 10 ㎫, 가열 온도 400 ℃ 이상 548 ℃ 미만에서, 5 분 ∼ 240 분 유지함으로써, 구리 회로판 (30) 과 세라믹스 기판 (20) 의 알루미늄 금속층 (22) 을 접합할 수 있다. 또한, 가고정재 (40) 는, 이 가열의 초기 단계에서 분해되어 소실된다.
이와 같이, 본 실시형태의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서는, 접합 공정 전에, 적층 공정에 있어서 구리 회로판 (제 1 부재) (30) 과 세라믹스 기판 (20) 을 가고정재 (40) 에 의해 가고정한 적층체 (80) 를 형성해 두기 때문에, 그 후의 접합 공정에 있어서 구리 회로판 (30) 과 세라믹스 기판 (20) 의 위치 어긋남이 발생하는 것이 방지되어, 구리 회로판 (30) 을 세라믹스 기판 (20) 의 소정 위치에 정확하게 위치 결정한 상태로 접합할 수 있다.
따라서, 파워 모듈용 기판 (10) 을 효율적으로 제조할 수 있어, 생산성을 향상시킬 수 있다.
전술한 제 1 실시형태에서는, 구리 회로판 (30) 에 가고정재 (40) 를 도포해 두고, 그 구리 회로판 (30) 을 반송하여 세라믹스 기판 (20) 의 알루미늄 금속층 (22) 에 중첩하도록 하고 있었지만, 세라믹스 기판 (20) 의 알루미늄 금속층 (22) 에 가고정재 (40) 를 도포해 두고, 구리 회로판 (30) 을 중첩하도록 해도 된다.
이 경우에 있어서, 가고정재 (40) 를 도포한 알루미늄 금속층 (22) 상에 가열한 구리 회로판 (30) 을 중첩함으로써, 구리 회로판 (30) 의 열에 의해 가고정재 (40) 를 용융시켜, 구리 회로판 (30) 과 알루미늄 금속층 (22) 을 밀착시킨 상태로 할 수 있다. 그리고, 그 후에 알루미늄 금속층 (22) 에 의해 가고정재 (40) 가 냉각되고 고화되어, 구리 회로판 (30) 과 알루미늄 금속층 (22) 을 고착시킬 수 있다.
이 경우, 가고정재 (40) 를 형성한 세라믹스 기판 (20) 이 아니라 구리 회로판 (30) 을 반송함으로써, 가고정재 (40) 가 형성된 세라믹스 기판 (20) 을 정지 상태로 할 수 있다. 이로써, 용융 상태의 가고정재 (40) 가 접착 지점 이외의 불필요한 위치에 부착되는 것을 방지할 수 있으므로, 효율적으로 구리 회로판 (30) 과 세라믹스 기판 (20) 을 고착할 수 있다.
또한, 가고정재 (40) 를 도포한 세라믹스 기판 (20) 을 적층 수단 (95) 에 의해 흡착하고, 구리 회로판 (30) 이 재치된 기대 (91) 상까지 반송하여, 이 구리 회로판 (30) 에 세라믹스 기판 (20) 을 중첩할 수도 있다.
또, 제 1 실시형태에서는, 구리 회로판 (30) 에 적하한 가고정재 (40) 를 일단 상온까지 냉각시켜 고화시켜 두고, 구리 회로판 (30) 을 세라믹스 기판 (20) 에 적층할 때에 가온하여 가고정재 (40) 를 재용융시킴으로써, 구리 회로판 (30) 과 세라믹스 기판 (20) 을 가고정하고 있었지만, 구리 회로판 (30) 에 적하한 가고정재 (40) 가 냉각되기 전에 세라믹스 기판 (20) 과 중첩하여 접착할 수도 있다.
도 4 는, 본 발명의 제 2 실시형태를 나타내고 있고, 도 4c 는, 본 발명에 의해 제조되는 파워 모듈용 기판 (본 발명의 접합체) (11) 을 나타내고 있다. 이 파워 모듈용 기판 (11) 은, 알루미늄 금속층 (본 발명의 제 1 부재) (32) 과, 이 알루미늄 금속층 (32) 에 접합된 세라믹스판 (본 발명의 제 2 부재) (25) 을 구비한다. 이 경우, 알루미늄 금속층 (32) 및 세라믹스판 (25) 은, 사각형 평면상으로 형성되어 있다.
이와 같이 구성되는 파워 모듈용 기판 (11) 을 제조하려면, 알루미늄 금속층 (32) 의 편면에, 도 4a 에 나타내는 바와 같이, 초음파 접합 등에 의해 브레이징재박을 첩부한 상태로 해두고, 이 브레이징재박에 의해 접합재층 (33) 을 미리 형성해 둔다. 또, 접합재층 (33) 의 표면에, 제 1 실시형태에 있어서의 적층 공정과 동일하게, 포화 지방산을 주성분으로서 포함하는 가고정재 (41) 를 도포해 둔다. 그리고, 가고정재 (41) 를 용융시킨 상태로 알루미늄 금속층 (32) 과 세라믹스판 (25) 을 접합재층 (33) 을 개재하여 중첩함으로써, 용융된 가고정재 (41) 가 세라믹스판 (25) 과 알루미늄 금속층 (32) 의 접합재층 (33) 사이에 얇게 펴져서 층상이 되어, 세라믹스판 (25) 과 알루미늄 금속층 (32) 이 밀착된다. 이어서, 세라믹스판 (25) 과 알루미늄 금속층 (32) 을 위치 결정한 상태에서 가고정재 (41) 를 냉각시킴으로써, 세라믹스판 (25) 과 알루미늄 금속층 (32) 이 가고정된 적층체 (83) 를 형성한다 (적층 공정).
그리고, 제 1 실시형태와 동일하게, 세라믹스판 (25) 과 알루미늄 금속층 (32) 의 적층체를 적층 방향으로 가압하고, 진공 중에서 가열함으로써, 세라믹스판 (25) 과 알루미늄 금속층 (32) 을 그 사이에 개재시킨 접합재층 (33) 에 의해 브레이징하여, 파워 모듈용 기판 (11) 을 제조할 수 있다 (접합 공정).
또한, 제 2 실시형태에서는, 알루미늄 금속층 (32) 의 접합재층 (33) 의 표면에 가고정재 (41) 를 부착시키고 있었지만, 세라믹스판 (25) 의 표면에 가고정재 (41) 를 부착시켜 둘 수도 있다.
도 5 는, 본 발명의 제 3 실시형태를 나타내고 있고, 도 5c 는, 본 발명에 의해 제조되는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (본 발명의 접합체) (12) 을 나타내고 있다. 이 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (12) 은, 히트 싱크 (본 발명의 제 1 부재) (51) 와, 세라믹스판 (36) 의 양면에 알루미늄 금속층 (37, 38) 을 브레이징한 파워 모듈용 기판 (본 발명의 제 2 부재) (35) 을 구비하고, 파워 모듈용 기판 (35) 의 일방의 알루미늄 금속층 (38) 과 히트 싱크 (51) 를 접합함으로써 제조된다. 히트 싱크 (51) 는, 순도 99.90 ％ 이상의 순알루미늄 또는 알루미늄 합금 (간단히 알루미늄이라고 칭한다) 에 의해 사각형 평판상으로 형성된다.
이와 같이 구성되는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (12) 을 제조하려면, 파워 모듈용 기판 (35) 의 알루미늄 금속층 (38) 또는 히트 싱크 (51) 중 어느 일방에 접합재층 (55) 을 미리 형성해 둔다. 접합재층 (55) 으로는, 예를 들어 3003 계 알루미늄 합금판의 양면에 Al-Si-Mg 계 브레이징재를 적층함으로써 3 층으로 형성한 클래드재를 채용할 수 있다.
도 5a 에 나타내는 바와 같이, 알루미늄 금속층 (38) 의 표면에, 포화 지방산을 주성분으로서 포함하는 접합재층용 가고정재 (44) 를 도포해 두고, 그 접합재층용 가고정재 (44) 를 용융시킨 상태로 접합재층 (55) 을 포갬으로써, 접합재층용 가고정재 (44) 를 개재하여 알루미늄 금속층 (38) 과 접합재층 (55) 을 밀착시킨다. 그리고, 알루미늄 금속층 (38) 과 접합재층 (55) 을 위치 결정한 상태에서 접합재층용 가고정재 (44) 를 냉각시킴으로써, 이들 알루미늄 금속층 (38) 과 접합재층 (55) 을 접착 (가고정) 한다.
또한, 히트 싱크 (51) 의 표면에도 접합재층용 가고정재 (44) 와 동일한 가고정재 (42) 를 도포해 두고, 그 가고정재 (42) 를 용융시킨 상태로 히트 싱크 (51) 상에, 접합재층 (55) 이 접착된 파워 모듈용 기판 (35) 을 중첩함으로써, 파워 모듈용 기판 (35) 과 히트 싱크 (51) 를 밀착시킨다. 그리고, 이들 파워 모듈용 기판 (35) 과 히트 싱크 (51) 를 위치 결정한 상태에서 가고정재 (42) 를 냉각시킴으로써, 파워 모듈용 기판 (35) 과 히트 싱크 (51) 를 가고정한 적층체 (84) 를 형성한다 (적층 공정).
이 적층체 (84) (파워 모듈용 기판 (35) 및 히트 싱크 (51)) 를 적층 방향으로 가압한 상태로 질소 분위기 중, 대기압 하에서 가열함으로써, 파워 모듈용 기판 (35) 과 히트 싱크 (51) 를 그 사이에 개재시킨 접합재층 (55) 에 의해 브레이징하여, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (12) 을 제조한다 (접합 공정).
도 6 은, 본 발명의 제 4 실시형태를 나타내고 있고, 도 6c 는, 본 발명에 의해 제조되는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (본 발명의 접합체) (13) 을 나타내고 있다. 이 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (13) 은, 히트 싱크 (본 발명의 제 1 부재) (52) 와, 세라믹스판 (46) 의 양면에 알루미늄 금속층 (47, 48) 을 브레이징한 파워 모듈용 기판 (본 발명의 제 2 부재) (45) 을 구비하고, 파워 모듈용 기판 (45) 의 일방의 알루미늄 금속층 (48) 과 히트 싱크 (52) 를 접합함으로써 제조된다. 또, 히트 싱크 (52) 는, 순구리 또는 구리 합금 (간단히 구리라고 칭한다) 에 의해 사각형 평판상으로 형성된다.
이와 같이 구성되는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (13) 을 제조하려면, 도 6a 에 나타내는 바와 같이, 파워 모듈용 기판 (45) 에 포화 지방산을 주성분으로서 포함하는 가고정재 (43) 를 도포해 두고, 그 가고정재 (43) 를 용융시킨 상태로 히트 싱크 (52) 를 포갬으로써, 가고정재 (43) 를 개재하여 파워 모듈용 기판 (45) 과 히트 싱크 (52) 를 밀착시킨다. 그리고, 파워 모듈용 기판 (45) 과 히트 싱크 (52) 를 위치 결정한 상태에서 가고정재 (43) 를 냉각시킴으로써, 이들 파워 모듈용 기판 (45) 과 히트 싱크 (52) 를 가고정재 (43) 에 의해 고착하여 가고정한 적층체 (85) 를 형성한다 (적층 공정).
제 1 실시형태와 동일하게, 파워 모듈용 기판 (45) 과 히트 싱크 (52) 가 가고정된 상태로 적층체 (85) 를 그 적층 방향으로 가압하고, 구리와 알루미늄의 공정 온도 미만에서 가열함으로써, 파워 모듈용 기판 (45) 의 알루미늄 금속층 (48) 과 히트 싱크 (52) 를, 구리와 알루미늄을 서로 확산시켜 고상 확산 접합에 의해 접합하여, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (13) 을 제조한다 (접합 공정).
도 7 은, 본 발명의 제 5 실시형태를 나타내고 있고, 도 7d 는, 본 발명에 의해 제조되는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (본 발명의 다층 접합체) (14) 을 나타내고 있다. 이 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (14) 은, 구리 회로판 (본 발명의 제 1 부재) (70) 과, 세라믹스판 (71) 의 양면에 알루미늄 금속층 (72, 73) 을 적층한 세라믹스 기판 (본 발명의 제 2 부재) (75) 과, 히트 싱크 (본 발명의 제 3 부재) (53) 를 구비하고, 세라믹스 기판 (75) 의 일방의 알루미늄 금속층 (72) 과 구리 회로판 (70) 을 접합함과 함께, 타방의 알루미늄 금속층 (73) 과 히트 싱크 (53) 를 접합함으로써 제조된다. 히트 싱크 (53) 는, 순구리 또는 구리 합금 (간단히 구리라고 칭한다) 에 의해 사각형 평판상으로 형성된다.
이와 같이 구성되는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (14) 을 제조하려면, 먼저, 도 7a 및 도 7b 에 나타내는 바와 같이, 구리 회로판 (70) 에 포화 지방산을 주성분으로서 포함하는 가고정재 (81) 를 도포해 두고, 그 가고정재 (81) 를 용융시킨 상태로 세라믹스 기판 (75) 을 포갬으로써, 가고정재 (81) 를 개재하여 세라믹스 기판 (75) 과 구리 회로판 (70) 을 밀착시킨다. 그리고, 세라믹스 기판 (75) 과 구리 회로판 (70) 을 위치 결정한 상태에서 가고정재 (81) 를 냉각시킴으로써, 이들 세라믹스 기판 (75) 과 구리 회로판 (70) 을 가고정재 (81) 에 의해 고착시켜 가고정한 적층체 (76) 를 형성한다 (적층 공정).
또한, 가고정재 (81) 는, 구리 회로판 (70) 이 아니라 세라믹스 기판 (75) (알루미늄 금속층 (72)) 의 표면에 부착시켜 둘 수도 있다.
다음으로, 도 7b 및 도 7c 에 나타내는 바와 같이, 적층 공정에 있어서 형성된 세라믹스 기판 (75) 과 구리 회로판 (70) 을 가고정한 적층체 (76) 를, 가고정재 (81) 보다 저융점의 불포화 지방산을 주성분으로 하는 제 2 가고정재 (82) 에 의해 히트 싱크 (본 발명의 제 3 부재) (53) 에 가고정한다 (제 2 적층 공정). 예를 들어, 가고정재 (81) 로서 스테아르산 (탄소수 18, 융점 약 70 ℃) 을 주성분으로 하는 것을 사용한 경우에는, 제 2 가고정재 (82) 로는, 스테아르산보다 충분히 융점이 낮은 라우르산 (탄소수 12, 융점 약 44 ℃) 을 주성분으로 하는 것을 바람직하게 사용할 수 있다.
이 적층체 (76) 와 히트 싱크 (53) 를 적층할 때에는, 적층체 (76) 의 알루미늄 금속층 (73) 에 제 2 가고정재 (82) 를 도포해 두고, 그 제 2 가고정재 (82) 를 가고정재 (81) 의 용융 온도보다 낮은 온도에서 용융시킨 상태로 하고, 적층체 (76) 와 히트 싱크 (53) 를 위치 맞춤하여 포갬으로써, 제 2 가고정재 (82) 를 개재하여 적층체 (76) 와 히트 싱크 (53) 를 밀착시킨다. 이어서, 제 2 가고정재 (82) 를 냉각시킴으로써, 적층체 (76) 와 히트 싱크 (53) 를 제 2 가고정재 (82) 에 의해 고착시켜, 적층체 (76) 와 히트 싱크 (53) 를 가고정한 제 2 적층체 (77) 를 형성한다 (제 2 적층 공정).
또한, 이 제 2 적층 공정에 있어서도, 제 2 가고정재 (82) 는, 적층체 (76) 의 알루미늄 금속층 (73) 이 아니라 히트 싱크 (53) 의 표면에 부착시켜 둘 수도 있다.
이 제 2 적층 공정에 있어서는, 구리 회로판 (70) 과 세라믹스 기판 (75) 을 가고정한 가고정재 (81) 의 용융 온도보다 낮은 용융 온도의 제 2 가고정재 (82) 를 사용하는 점에서, 가고정재 (81) 를 용융시키지 않고, 구리 회로판 (70) 과 세라믹스 기판 (75) 이 고착된 상태로 히트 싱크 (53) 의 가고정을 실시할 수 있다. 즉, 제 2 적층 공정에 있어서 구리 회로판 (70) 과 세라믹스 기판 (75) 의 위치 어긋남을 발생시키지 않고, 이들을 적층한 적층체 (76) 와 히트 싱크 (53) 의 가고정을 실시할 수 있다. 따라서, 구리 회로판 (70) 과 세라믹스 기판 (75) 과 히트 싱크 (53) 의 3 개의 부재를 정확하게 위치 결정하여 고착할 수 있다.
그리고, 이와 같이 하여 형성된 구리 회로판 (70) 과 세라믹스 기판 (75) 과 히트 싱크 (53) 가 가고정된 제 2 적층체를, 제 1 실시형태와 동일하게 그 적층 방향으로 가압하여, 구리와 알루미늄의 공정 온도 미만에서 가열함으로써, 구리와 알루미늄을 서로 확산시켜 고상 확산 접합에 의해 접합할 수 있다 (접합 공정). 이와 같이, 제 5 실시형태의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에서는, 구리 회로판 (70) 과 세라믹스 기판 (75) 과 히트 싱크 (53) 를 동시에 접합할 수 있기 때문에, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (14) 을 효율적으로 제조할 수 있다.
또한, 상기 제 5 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (75) 의 일방의 알루미늄 금속층 (72) 과 구리 회로판 (70) 사이, 및 타방의 알루미늄 금속층 (73) 과 구리제의 히트 싱크 (53) 사이를, 구리와 알루미늄의 고상 확산 접합에 의해 각각 접합하여 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (14) 을 제조하였지만, 세라믹스 기판 (75) 의 알루미늄 금속층 (72) 에 알루미늄의 회로판을 접합하여, 알루미늄 금속층 (73) 에 알루미늄제의 히트 싱크를 접합해도 된다. 이 경우, 세라믹스 기판 (75) 의 알루미늄 금속층 (72) 과 회로판 중 어느 것과, 알루미늄 금속층 (73) 과 히트 싱크 중 어느 것에 각각 접합재층을 미리 형성해 두고, 이들 부재 사이를 각 접합재층을 개재하여 적층하여 가고정을 실시한다. 또한, 접합재층으로는, 예를 들어 3003 계 알루미늄 합금판의 양면에 Al-Si-Mg 계 브레이징재를 적층함으로써 3 층으로 형성한 클래드재를 채용할 수 있다.
실시예
다음으로, 본 발명의 효과를 확인하기 위해 실시한 본 발명예 및 비교예에 대해 설명한다.
(테스트 1)
종래예 및 본 발명예로서, 30 ㎜ × 30 ㎜ 의 사각형, 두께 1.0 ㎜ 의 구리판에 표 1 에 나타내는 가고정재를 적하하고, 25 ㎜ × 25 ㎜ 의 사각형, 두께 0.6 ㎜ 의 알루미늄판을 적층하여 가고정한 적층체를 형성하였다. 그리고, 적층체의 반송 상태를 흉내내어, 각 적층체의 구리판을 가로로 약 30 ㎜/s 의 속도로 흔들어 알루미늄판에 발생한 가로 어긋남을 육안으로 확인함으로써, 가고정 상태에 있는 각 적층체의 접합성을 평가하였다. 가로 어긋남이 1 ㎜ 이하인 것을 「우수」(excellent), 1 ㎜ 를 초과하고 10 ㎜ 미만인 것을 「양호」(good), 10 ㎜ 이상 가로 어긋남이 발생한 것을 「불량」(bad) 으로 하였다.
(테스트 2)
각 적층체에 대하여, 진공 분위기 중에서 적층 방향으로 1.0 ㎫ 로 가압하고, 540 ℃ 에서 60 분간 가열하여 접합체를 형성하였다. 그리고, 접합체의 사용 상태를 흉내내어, 각 접합체에 대하여, 접합 후의 초기 상태, 및 -40 ℃ 와 100 ℃ 사이의 냉열 사이클을 3000 회 부하한 후의 상태에서, 초음파 화상 측정기에 의해 구리판과 알루미늄판의 접합면에 있어서의 미접합부의 유무를 관찰하였다. 접합면에 2 ％ 이상의 미접합부가 확인되지 않은 것을 「우수」(excellent), 5 ％ 이상의 미접합부 또는 직경 2 ㎜ 이상의 보이드가 확인된 것을 「불량」(bad) 으로 하고, 어디에도 해당하지 않는 경미한 미접합부가 확인된 것을 「양호」(good) 로 하였다.
이들 결과를 표 1 에 나타낸다.
Figure 112017007883547-pct00001
표 1 로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명예 1 ∼ 7 에 있어서는, 구리판과 알루미늄판을 가고정재에 의해 접착함으로써, 적층체에 있어서의 구리판과 알루미늄판의 가로 어긋남이 작고, 그 후의 취급 작업성이 양호하다는 것을 확인할 수 있었다. 또, 접합재층을 박리하는 등의 악영향을 미치지 않아, 신뢰성이 높은 접합면을 얻을 수 있다.
특히, 탄소수 10 이상의 가고정재를 사용한 본 발명예 2 ∼ 7 에서는, 가로 어긋남이 거의 없고, 접합재층을 박리하는 등의 악영향을 미치지 않아, 신뢰성이 높은 접합면을 얻을 수 있음이 확인되었다.
또한, 본 발명은 상기 실시형태의 구성의 것에 한정되는 것이 아니며, 세부 구성에 있어서는, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지 변경을 추가하는 것이 가능하다.
예를 들어, 구리 회로판과 알루미늄 금속층, 알루미늄 금속층과 세라믹스 기판을 접합한 파워 모듈용 기판을 제조하는 경우의 실시형태를 설명하였지만, 그 밖의 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서도, 금속판으로 이루어지는 제 1 부재와, 금속판 또는 세라믹스판으로 이루어지는 제 2 부재를 접합하는 경우에 본 발명을 적용할 수 있다.
또, 파워 모듈용 기판에 한정하지 않고, 파워 모듈 이외의 용도에 사용되는 제 1 부재와 제 2 부재의 접합체를 제조하는 경우에 본 발명을 적용할 수 있고, 이들 적층체를 가압과 가열의 양방을 수반하지 않고 접합하는 경우도 포함하는 것으로 한다.
또한, 상기 실시형태에서는, 제 1 부재와 제 2 부재를 1 대 1 의 관계로 하여 접합체를 제조하고 있었지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 1 개의 제 2 부재에 복수 개의 제 1 부재를 접합하는 경우 등, 여러 가지 적층체, 접합체를 제조하는 경우에 본 발명을 적용할 수 있다.
산업상 이용가능성
금속판끼리 및 금속판과 세라믹스판을 접합할 때에, 각 부재의 접합면끼리의 위치 어긋남을 방지할 수 있으므로, 이들 접합체를 효율적으로 제조할 수 있다.
10, 11 : 파워 모듈용 기판 (접합체)
12, 13 : 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (접합체)
14 : 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (다층 접합체)
20, 75 : 세라믹스 기판 (제 2 부재)
21, 36, 46, 71 : 세라믹스판
22, 23, 37, 38, 47, 48, 72, 73 : 알루미늄 금속층
25 : 세라믹스판 (제 2 부재)
30, 70 : 구리 회로판 (제 1 부재)
30a : 부착면
32 : 알루미늄 금속층 (제 1 부재)
33, 55 : 접합재층
35, 45 : 파워 모듈용 기판 (제 2 부재)
40, 41, 42, 43, 81 : 가고정재
44 : 접합재층용 가고정재
50 : 히트 싱크
51, 52 : 히트 싱크 (제 1 부재)
53 : 히트 싱크 (제 3 부재)
60 : 전자 부품
76, 80, 83, 84, 85 : 적층체
77 : 제 2 적층체
82 : 제 2 가고정재
90 : 제조 장치
91 : 기대
92 : 가이드 핀
95 : 적층 수단
96 : 가열 수단 (러버 히터)
97 : 측온 수단
98 : 냉각 수단

Claims (22)

  1. 금속판으로 이루어지는 제 1 부재와, 하나 이상의 금속판 또는 세라믹스판을 포함하는 제 2 부재 중 어느 것에, 포화 지방산을 함유하는 가고정재를 도포해 두고, 상기 가고정재를 용융시킨 상태로 상기 가고정재를 개재하여 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 적층하여 위치 맞춤하고, 상기 가고정재를 냉각시킴으로써, 적층된 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 가고정한 적층체를 형성하는 적층 공정과,
    상기 적층체를 적층 방향으로 가압하여 가열함으로써, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 접합한 접합체를 형성하는 접합 공정을 갖고,
    상기 접합 공정에서는, 상기 가고정재는 가열의 초기 단계에서 분해되어 소실되는 것을 특징으로 하는 접합체의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가고정재의 상기 포화 지방산은 탄소수가 10 이상 30 이하인 것을 특징으로 하는 접합체의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 부재 또는 상기 제 2 부재 중 어느 표면에 접합재층이 형성되어 있고, 상기 적층 공정에 있어서 상기 접합재층 및 상기 가고정재를 개재하여 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 적층하는 것을 특징으로 하는 접합체의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 기재된 접합체의 제조 방법을 적용한 다층 접합체의 제조 방법으로서,
    상기 접합 공정 전에, 상기 적층 공정에 의해 형성된 상기 적층체에 금속판으로 이루어지는 제 3 부재를 가고정하는 제 2 적층 공정을 갖고,
    상기 제 2 적층 공정에 있어서, 상기 적층체 또는 상기 제 3 부재 중 어느 것에, 상기 가고정재보다 저융점의 포화 지방산을 함유하는 제 2 가고정재를 도포해 두고, 상기 적층체와 상기 제 3 부재를 적층할 때에 상기 가고정재의 용융 온도보다 낮은 온도에서 상기 제 2 가고정재를 용융시키고, 상기 적층체와 상기 제 3 부재를 위치 맞춤하여 적층한 후에 상기 제 2 가고정재를 냉각시킴으로써, 상기 적층체와 상기 제 3 부재를 가고정시킨 제 2 적층체를 형성하고,
    상기 접합 공정에 있어서, 상기 제 2 적층체를 그 적층 방향으로 가압하여 가열함으로써, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 접합한 상기 접합체에 대하여 추가로 상기 제 3 부재를 접합한 다층 접합체를 형성하는 것을 특징으로 하는 다층 접합체의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가고정재의 상기 포화 지방산은, 탄소수가 10 이상 30 이하인 것을 특징으로 하는 다층 접합체의 제조 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 부재 또는 상기 제 2 부재 중 어느 표면에 접합재층이 형성되어 있고, 상기 적층 공정에 있어서 상기 접합재층 및 상기 가고정재를 개재하여 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 적층하는 것을 특징으로 하는 다층 접합체의 제조 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 적층체 또는 상기 제 3 부재 중 어느 표면에 제 2 접합재층이 형성되어 있고, 상기 제 2 적층 공정에 있어서 상기 제 2 가고정재 및 상기 제 2 접합재층을 개재하여 상기 적층체와 상기 제 3 부재를 적층하는 것을 특징으로 하는 다층 접합체의 제조 방법.
  8. 제 4 항에 기재되는 다층 접합체의 제조 방법을 적용한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 제 1 부재를 구리 또는 알루미늄으로 이루어지는 회로판으로 하고,
    상기 제 2 부재를 세라믹스판의 양면에 알루미늄 금속층을 적층하여 이루어지는 세라믹스 기판으로 하고,
    상기 제 3 부재를 구리 또는 알루미늄으로 이루어지는 히트 싱크로 하여,
    상기 접합 공정에 있어서, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재의 상기 알루미늄 금속층의 일방을 접합함과 함께, 상기 제 2 부재의 상기 알루미늄 금속층의 타방과 상기 제 3 부재를 접합하여, 상기 다층 접합체로서 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 형성하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 가고정재의 상기 포화 지방산은, 탄소수가 10 이상 30 이하인 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 부재 또는 상기 제 2 부재 중 어느 표면에 접합재층이 형성되어 있고, 상기 적층 공정에 있어서 상기 접합재층 및 상기 가고정재를 개재하여 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 적층하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 적층체 또는 상기 제 3 부재 중 어느 표면에 제 2 접합재층이 형성되어 있고, 상기 제 2 적층 공정에 있어서 상기 제 2 가고정재 및 상기 제 2 접합재층을 개재하여 상기 적층체와 상기 제 3 부재를 적층하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  12. 제 1 항에 기재되는 접합체의 제조 방법을 적용한 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 제 1 부재를 구리 회로판으로 하고,
    상기 제 2 부재를 세라믹스판의 양면에 알루미늄 금속층을 적층하여 이루어지는 세라믹스 기판으로 하고,
    상기 접합 공정에 있어서 상기 제 2 부재의 상기 알루미늄 금속층의 일방과 상기 제 1 부재를 접합하여, 상기 접합체로서 파워 모듈용 기판을 형성하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 가고정재의 상기 포화 지방산은, 탄소수가 10 이상 30 이하인 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 부재 또는 상기 제 2 부재 중 어느 표면에 접합재층이 형성되어 있고, 상기 적층 공정에 있어서 상기 접합재층 및 상기 가고정재를 개재하여 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 적층하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  15. 제 1 항에 기재되는 접합체의 제조 방법을 적용한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 제 1 부재를 구리 또는 알루미늄으로 이루어지는 히트 싱크로 하고,
    상기 제 2 부재를 세라믹스판의 양면에 금속층을 적층하여 이루어지는 파워 모듈용 기판으로 하고,
    상기 접합 공정에 있어서 상기 제 2 부재의 상기 금속층의 일방과 상기 제 1 부재를 접합하여, 상기 접합체로서 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 형성하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 가고정재의 상기 포화 지방산은, 탄소수가 10 이상 30 이하인 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 부재 또는 상기 제 2 부재 중 어느 표면에 접합재층이 형성되어 있고, 상기 적층 공정에 있어서 상기 접합재층 및 상기 가고정재를 개재하여 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 적층하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 적층 공정 전에, 상기 접합재층을 상기 제 1 부재 또는 상기 제 2 부재 중 어느 표면에 접합재층용 가고정재에 의해 가고정시키고,
    상기 적층 공정에 있어서, 상기 가고정재는, 상기 접합재층이 형성되어 있지 않은 상기 제 1 부재 또는 상기 제 2 부재 중 어느 것에 도포하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
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