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KR102392568B1 - 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법 - Google Patents

히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법 Download PDF

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KR102392568B1
KR102392568B1 KR1020207027511A KR20207027511A KR102392568B1 KR 102392568 B1 KR102392568 B1 KR 102392568B1 KR 1020207027511 A KR1020207027511 A KR 1020207027511A KR 20207027511 A KR20207027511 A KR 20207027511A KR 102392568 B1 KR102392568 B1 KR 102392568B1
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KR
South Korea
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heat sink
layer
aluminum
metal layer
circuit board
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KR1020207027511A
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KR20200135960A (ko
Inventor
다케시 기타하라
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
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Abstract

절연 회로 기판과, 이 절연 회로 기판의 상기 금속층측에 접합된 히트 싱크를 구비한 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법으로서, 상기 금속층은 알루미늄으로 구성되고, 상기 히트 싱크는, 상기 절연 회로 기판과의 접합면이, 고상선 온도가 650 ℃ 이하인 알루미늄 합금으로 구성되어 있고, 합금 원소 고농도부를 형성하는 합금 원소 고농도부 형성 공정 (S02) 과, 히트 싱크를 접합하는 히트 싱크 접합 공정 (S03) 을 구비하고 있고, 상기 클래드재의 상기 심재의 두께 (ta) 와 브레이징재층의 두께 (tb) 의 비 (tb/ta) 가 0.1 이상 0.3 이하의 범위 내로 되어 있다.

Description

히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법
본 발명은, 절연층의 일방의 면에 회로층이 형성됨과 함께 상기 절연층의 타방의 면에 금속층이 형성된 절연 회로 기판과, 이 절연 회로 기판의 상기 금속층측에 접합된 히트 싱크를 구비한 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은 2018년 3월 27일에 일본에서 출원된 일본 특허출원 2018-059917호에 대해 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
파워 모듈, LED 모듈 및 열전 모듈에 있어서는, 절연층의 일방의 면에 도전재료로 이루어지는 회로층을 형성한 절연 회로 기판에, 파워 반도체 소자, LED 소자 및 열전 소자가 접합된 구조로 되어 있다.
예를 들어, 풍력 발전, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등을 제어하기 위해서 사용되는 대전력 제어용의 파워 반도체 소자는, 동작시의 발열량이 많기 때문에, 이것을 탑재하는 기판으로는, 예를 들어 질화알루미늄이나 질화규소 등으로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 도전성이 우수한 금속판을 접합하여 형성한 회로층을 구비한 절연 회로 기판이 종래부터 널리 사용되고 있다. 절연 회로 기판으로는, 세라믹스 기판의 타방의 면에 금속판을 접합하여 금속층이 형성된 것도 제공되고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에는, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에 알루미늄판 또는 구리판으로 이루어지는 회로층 및 금속층이 형성된 절연 회로 기판이 개시되어 있다.
그리고, 절연 회로 기판의 타방의 면측에는 히트 싱크가 접합되어 있고, 반도체 소자로부터 절연 회로 기판측으로 전달된 열을, 히트 싱크를 개재하여 외부로 방산하는 구성으로 되어 있다.
히트 싱크의 재료로는, 알루미늄 합금이나, 예를 들어 특허문헌 2 에 나타내는 바와 같은 AlSiC 로 대표되는 탄화규소질 부재 중에 알루미늄 혹은 알루미늄 합금이 충전된 알루미늄기 복합 재료 등의 알루미늄계 재료가 널리 이용되고 있다.
히트 싱크를 고상선 온도가 낮은 알루미늄 합금으로 구성한 경우에는, 비교적 구조가 복잡한 형상으로 할 수 있고, 방열 특성을 향상시킬 수 있다. 또, 히트 싱크를 탄화규소질 부재 중에 알루미늄 혹은 알루미늄 합금이 충전된 알루미늄기 복합 재료로 구성한 경우에는, 열팽창 계수가 절연 회로 기판에 근사하게 되고, 냉열 사이클 부하시의 열 변형을 낮게 억제하는 것이 가능해진다.
알루미늄으로 이루어지는 금속층과, 알루미늄계 재료로 이루어지는 히트 싱크를 접합하는 수단으로서, 예를 들어 특허문헌 3 에는, 알루미늄으로 이루어지는 금속층 및 히트 싱크의 사이에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 접합재를 배치 형성하고, 금속층과 접합재, 접합재와 히트 싱크를 각각 고상 확산 접합하는 방법이 제안되어 있다.
일본 특허공보 제3171234호 일본 공개특허공보 2000-281468호 일본 공개특허공보 2014-060215호
그런데, 최근에는, 파워 모듈의 소형화·박육화가 진행됨과 함께, 그 사용 환경도 엄격해지고 있고, 반도체 소자로부터의 발열량이 커지고, 냉열 사이클의 조건이 엄격해지고 있어, 종래보다 더욱, 접합 신뢰성이 우수하며, 또한, 방열 특성이 우수한 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판이 요구되고 있다.
상기 서술한 절연 회로 기판에 있어서는, 금속층을 비교적 변형 저항이 작은 금속, 예를 들어 순도 99.99 mass％ 이상의 알루미늄 (4 N 알루미늄) 을 사용함으로써, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 열 변형을 금속층의 변형에 의해 흡수하여, 절연층의 균열 등을 억제하는 것이 가능해진다.
금속층을 4 N 알루미늄으로 구성하고, 히트 싱크의 접합면을 예를 들어 ADC12 등의 알루미늄 합금으로 구성하여, 이것들을 특허문헌 3 에 기재된 방법으로 고상 확산 접합하는 경우에는, 금속층과 히트 싱크의 접합면의 고상선 온도가 크게 상이하기 때문에, 고상 확산 접합시의 온도 조건을 알루미늄 합금의 고상선 온도 미만으로 할 필요가 있고, 또, 순도가 높은 4 N 알루미늄은 확산의 활성화 에너지가 높아, 확산 현상이 잘 일어나지 않으므로, 고상선 온도가 높은 4 N 알루미늄으로 이루어지는 금속층의 Al 과 접합재의 Cu 의 고상 확산이 불충분해져, 금속층과 히트 싱크의 접합 신뢰성이 저하될 우려가 있었다.
본 발명은 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 금속층을 비교적 변형 저항이 작은 알루미늄으로 구성하고, 히트 싱크의 접합면을 비교적 고상선 온도가 낮은 알루미늄 합금으로 구성한 경우여도, 금속층과 히트 싱크를 확실하게 고상 확산 접합할 수 있는 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 과제를 해결하여 상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법은, 절연층의 일방의 면에 회로층이 형성됨과 함께 상기 절연층의 타방의 면에 금속층이 형성된 절연 회로 기판과, 이 절연 회로 기판의 상기 금속층측에 접합된 히트 싱크를 구비한 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법으로서, 상기 금속층은 알루미늄으로 구성되고, 상기 금속층의 두께 중앙부의 인덴테이션 경도가 50 mgf/㎛2 미만이고, 상기 히트 싱크는, 상기 절연 회로 기판과의 접합면이, 고상선 온도가 650 ℃ 이하인 알루미늄 합금으로 구성되어 있고, 상기 금속층 중 상기 절연층과는 반대측의 영역에, 심재 (芯材) 와 이 심재의 양면에 브레이징재 (brazing filler material) 층이 형성된 클래드재를 적층하고 가열하여, 상기 브레이징재층의 합금 원소를 확산시킴으로써, 상기 금속층의 두께 중앙부보다 합금 원소 농도가 높으며, 또한, 고상선 온도가 650 ℃ 이하로 된 합금 원소 고농도부를 형성하는 합금 원소 고농도부 형성 공정과, 상기 금속층과 상기 히트 싱크의 접합면 사이에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 접합재를 적층하고, 상기 금속층과 상기 구리 접합재, 상기 구리 접합재와 상기 히트 싱크를 고상 확산 접합함으로써 히트 싱크를 접합하는 히트 싱크 접합 공정을 구비하고 있고, 상기 클래드재의 상기 심재의 두께 (ta) 와 브레이징재층의 두께 (tb) 의 비 (tb/ta) 가 0.1 이상 0.3 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법에 의하면, 상기 금속층 중 상기 절연층과는 반대측의 영역에, 상기 금속층의 두께 중앙부보다 합금 원소 농도가 높으며, 또한, 고상선 온도가 650 ℃ 이하로 된 합금 원소 고농도부를 형성하는 합금 원소 고농도부 형성 공정과, 상기 금속층의 합금 원소 고농도부와 상기 히트 싱크의 접합면 사이에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 접합재를 적층하고, 합금 원소 고농도부가 형성된 금속층과 상기 구리 접합재, 상기 구리 접합재와 상기 히트 싱크를 고상 확산 접합함으로써 히트 싱크를 접합하는 히트 싱크 접합 공정을 구비하고 있기 때문에, 금속층의 합금 원소 고농도부와, 히트 싱크의 접합면을 구성하는 알루미늄 합금의 고상선 온도의 차를 작게 할 수 있고, 비교적 저온 조건에서 고상 확산 접합한 경우여도, 금속층 (합금 원소 고농도부) 의 Al 과 구리 접합재의 Cu, 구리 접합재의 Cu 와 히트 싱크의 접합면의 Al 을 충분히 확산시킬 수 있어, 절연 회로 기판과 히트 싱크를 확실하게 접합할 수 있다.
또, 금속층은 알루미늄으로 구성되고, 두께 중앙부의 인덴테이션 경도가 50 mgf/㎛2 미만으로 되어 있기 때문에, 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판에 대해 냉열 사이클을 부하했을 때에, 금속층이 변형됨으로써 열 변형을 완화할 수 있어, 절연층의 균열 등의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 히트 싱크의 접합면이, 고상선 온도가 650 ℃ 이하인 알루미늄 합금으로 구성되어 있기 때문에, 요구되는 성능에 적합한 히트 싱크를 구성할 수 있다.
또한, 상기 합금 원소 고농도부 형성 공정에 있어서는, 상기 금속층 중 상기 절연층과는 반대측의 면에, 심재와 이 심재의 양면에 브레이징재층이 형성된 클래드재를 적층하여 가열하고 있기 때문에, 상기 브레이징재층의 합금 원소를 확산시킴으로써, 상기 금속층 중 상기 절연층과는 반대측의 영역에, 상기 금속층의 두께 중앙부보다 합금 원소 농도가 높으며, 또한, 고상선 온도가 650 ℃ 이하로 된 합금 원소 고농도부를 형성할 수 있다.
가열 조건을 조정하여 합금 원소의 확산 상태를 제어함으로써, 소정의 두께의 합금 원소 고농도부를 형성하는 것이 가능해진다.
또, 상기 클래드재의 상기 심재의 두께 (ta) 와 브레이징재층의 두께 (tb) 의 비 (tb/ta) 가 0.1 이상 0.3 이하의 범위 내로 되어 있기 때문에, 상기 금속층 중 상기 절연층과는 반대측의 영역에, 상기 금속층의 두께 중앙부보다 합금 원소 농도가 높으며, 또한, 고상선 온도가 650 ℃ 이하로 된 합금 원소 고농도부를 확실하게 형성할 수 있다.
본 발명의 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법에 있어서는, 상기 합금 원소 고농도부는, Si 농도가 2.0 mass％ 이상 7.0 mass％ 이하의 범위 내, Mn 농도가 0.3 mass％ 이상 1.5 mass％ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 금속층의 합금 원소 고농도부와, 히트 싱크의 접합면을 구성하는 알루미늄 합금의 고상선 온도의 차를 확실하게 작게 할 수 있고, 비교적 저온 조건에서 고상 확산 접합한 경우여도, 절연 회로 기판과 히트 싱크를 더욱 확실하게 접합할 수 있다.
또, 본 발명의 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법에 있어서는, 상기 합금 원소 고농도부 형성 공정은, 상기 절연층에 상기 금속층을 형성하는 금속층 형성 공정과 동시에 실시하는 구성으로 해도 된다.
이 경우, 상기 절연층에 상기 금속층을 형성하는 금속층 형성 공정과 상기 합금 원소 고농도부 형성 공정을 동시에 실시함으로써, 제조 공정을 생략하고, 효율적으로 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판을 제조하는 것이 가능해진다. 또, 절연층에 대한 열 부하를 저감할 수 있어, 절연층의 열화를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법에 있어서는, 상기 회로층은, 상기 절연층측에 형성된 알루미늄층과, 이 알루미늄층에 적층된 구리층을 구비하고 있고, 이 알루미늄층 중 상기 절연층과는 반대측의 영역에, 상기 알루미늄층의 두께 중앙부보다 합금 원소 농도가 높으며, 또한, 고상선 온도가 650 ℃ 이하로 된 제 2 합금 원소 고농도부가 형성되어 있고, 상기 합금 원소 고농도부 형성 공정에 있어서, 상기 합금 원소 고농도부와 상기 제 2 합금 원소 고농도부를 형성하는 구성으로 해도 된다.
이 경우, 회로층이 알루미늄층과 구리층이 적층된 구조로 되어 있기 때문에, 회로층에 탑재된 발열체의 열을 구리층에서 면 방향으로 확산할 수 있어, 방열 특성이 우수한 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판을 제조할 수 있다.
또, 알루미늄층과 구리층 사이에, 제 2 합금 원소 고농도부가 형성되어 있기 때문에, 합금 원소 고농도부 및 제 2 합금 원소 고농도부와, 히트 싱크의 접합면을 구성하는 알루미늄 및 알루미늄 합금의 고상선 온도의 차를 작게 할 수 있고, 비교적 저온 조건에서 고상 확산 접합한 경우여도, 금속층 (합금 원소 고농도부) 의 Al 과 구리 접합재의 Cu, 구리 접합재의 Cu 와 히트 싱크의 접합면의 Al, 알루미늄층 (제 2 합금 원소 고농도부) 의 Al 과 구리층의 Cu 를 충분히 확산시킬 수 있어, 절연 회로 기판과 히트 싱크를 확실하게 접합할 수 있음과 함께, 알루미늄층과 구리층이 적층된 회로층을 형성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 금속층을 비교적 변형 저항이 작은 알루미늄으로 구성하고, 히트 싱크의 접합면을 비교적 고상선 온도가 낮은 알루미늄 합금으로 구성한 경우여도, 금속층과 히트 싱크를 확실하게 고상 확산 접합할 수 있는 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법을 제공하는 것이 가능해진다.
도 1 은, 본 발명의 실시형태인 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법에 의해 제조된 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판을 구비한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는, 도 1 에 나타내는 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판에 있어서의 금속층과 히트 싱크의 접합 계면의 확대 설명도이다.
도 3 은, 도 1 에 나타내는 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판에 사용되는 히트 싱크의 개략 설명도이다.
도 4 는, 본 발명의 실시형태인 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법을 나타내는 플로도이다.
도 5 는, 본 발명의 실시형태인 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 6 은, 본 발명의 실시형태인 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법에서 사용되는 클래드재의 단면 설명도이다.
도 7 은, 본 발명의 실시형태인 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 8 은, 본 발명의 다른 실시형태인 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법에 의해 제조된 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판을 구비한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 9 는, 도 8 에 나타내는 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법을 나타내는 플로도이다.
도 10 은, 도 8 에 나타내는 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 11 은, 도 8 에 나타내는 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 에, 본 발명의 실시형태인 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법에 의해 제조된 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판 (40), 및, 이 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판 (40) 을 사용한 파워 모듈 (1) 을 나타낸다.
도 1 에 나타내는 파워 모듈 (1) 은, 절연 회로 기판 (10) 과, 이 절연 회로 기판 (10) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 솔더층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 절연 회로 기판 (10) 의 하측에 접합된 히트 싱크 (41) 를 구비하고 있다. 히트 싱크 (41) 가 접합된 절연 회로 기판 (10) 이, 본 실시형태에 있어서의 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판 (40) 으로 되어 있다.
반도체 소자 (3) 는, Si 등의 반도체 재료로 구성되어 있다. 절연 회로 기판 (10) 과 반도체 소자 (3) 를 접합하는 솔더층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-Cu 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 솔더재 (이른바 납 프리 솔더재) 로 되어 있다.
절연 회로 기판 (10) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 절연층이 되는 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, 절연성이 높은 질화알루미늄 (AlN), 질화규소 (Si3N4), 알루미나 (Al2O3) 등으로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 질화알루미늄으로 구성되어 있다. 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.2 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 도전성을 갖는 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판 (22) 이 접합됨으로써 회로층 (12) 이 형성되어 있다. 구체적으로는, 회로층 (12) 을 구성하는 알루미늄판 (22) 으로서, 순도 99 mass％ 이상의 알루미늄 (2 N 알루미늄) 이나 A3003 이나 A6063 등의 알루미늄 합금의 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. 회로층 (12) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 2.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.4 ㎜ 로 설정되어 있다.
금속층 (13) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에, 알루미늄으로 이루어지는 알루미늄판 (23) 이 접합됨과 함께, 알루미늄판 (23) 의 타방의 면에 클래드재 (51) 가 적층되어 가열 처리함으로써 형성되어 있다.
금속층 (13) 의 두께 중앙부에 있어서의 인덴테이션 경도가 50 mgf/㎛2 미만으로 되어 있다. 이 인덴테이션 경도는, 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판 (40) 의 25 ℃ 에 있어서의 값이다.
금속층 (13) 을 구성하는 알루미늄판 (23) 으로서, 순도 99 mass％ 이상의 알루미늄 (2 N 알루미늄), 순도 99.9 mass％ 이상의 알루미늄 (3 N 알루미늄), 순도 99.99 mass％ 이상의 알루미늄 (4 N 알루미늄) 등을 사용할 수 있다.
본 실시형태에서는, 금속층 (13) 을 구성하는 알루미늄판 (23) 으로서, 순도 99.99 mass％ 이상의 알루미늄 (4 N 알루미늄) 의 압연판이 사용되고 있다.
도 2 에 나타내는 바와 같이, 금속층 (13) 의 두께 (t0) 는 0.2 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.4 ㎜ 로 설정되어 있다.
그리고, 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 중 세라믹스 기판 (11) 과는 반대측의 영역에, 금속층 (13) 의 두께 중앙부보다 합금 원소 농도가 높으며, 또한, 고상선 온도가 650 ℃ 이하로 된 합금 원소 고농도부 (13a) 가 형성되어 있다.
즉, 본 실시형태에 있어서의 금속층 (13) 에 있어서는, 그 두께 방향에 있어서, 합금 원소의 농도 분포가 존재하고 있는 것이 된다.
합금 원소로는, Si, Mn 등을 사용하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, 합금 원소로서 Si 및 Mn 을 함유하고 있고, Si 농도가 2.0 mass％ 이상 7.0 mass％ 이하의 범위 내, 또한, Mn 농도가 0.3 mass％ 이상 1.5 mass％ 이하의 범위 내로 된 영역이, 합금 원소 고농도부 (13a) 가 된다.
또, 합금 원소 고농도부 (13a) 의 두께 (t1) 는, 0.05 ㎜ 이상 0.3 ㎜ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
히트 싱크 (41) 는, 전술한 절연 회로 기판 (10) 을 냉각시키기 위한 것으로, 본 실시형태에 있어서는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 열 전도성이 양호한 재질로 구성된 방열판으로 되어 있다.
본 실시형태에 있어서의 히트 싱크 (41) 는, SiC 로 이루어지는 다공질체와 이 다공질체에 함침된 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄재로 이루어지는 Al-SiC 복합 재료 (이른바 AlSiC) 로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, SiC 로 이루어지는 다공질체에 함침시키는 알루미늄재로서 ADC12 (고상선 온도 570 ℃) 를 사용하고 있다.
또, 본 실시형태에서는, 히트 싱크 (41) 는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, AlSiC 로 이루어지는 히트 싱크 본체 (42) 의 표면에, 다공질체에 함침된 알루미늄재 (본 실시형태에서는 ADC12) 로 이루어지는 스킨층 (43) 이 형성되어 있다.
본 실시형태에서는, 히트 싱크 본체 (42) 의 두께가 0.5 ㎜ 이상 5.0 ㎜ 이하의 범위 내로 되어 있고, 스킨층 (43) 의 두께 (ts) 는 히트 싱크 본체 (42) 의 두께의 0.01 배 이상 0.1 배 이하로 하는 것이 바람직하다.
합금 원소 고농도부 (13a) 의 고상선 온도와, 히트 싱크 (41) 의 접합면 (본 실시형태에서는 스킨층 (43)) 을 구성하는 알루미늄 합금의 고상선 온도의 온도차가 80 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있다.
그리고, 절연 회로 기판 (10) 의 금속층 (13) 과 히트 싱크 (41) 는, 구리 접합층 (32) 을 개재하여 접합되어 있다.
구리 접합층 (32) 은, 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있고, 본 실시형태에서는, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 무산소동의 압연판으로 이루어지는 구리판 (52) 을 접합함으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 구리 접합층 (32) 의 두께 (tc) 는 0.05 ㎜ 이상 5.0 ㎜ 이하의 범위 내로 되어 있다.
금속층 (13) (합금 원소 고농도부 (13a)) 과 구리 접합층 (32), 및, 구리 접합층 (32) 과 히트 싱크 (41) (스킨층 (43)) 는, 각각 고상 확산 접합에 의해 접합되어 있다.
다음으로, 상기 서술한 본 실시형태인 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판 (40) 의 제조 방법에 대해, 도 4 내지 도 7 을 참조하여 설명한다.
(회로층 및 금속층 형성 공정 S01/합금 원소 고농도부 형성 공정 S02)
먼저, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 및 타방의 면에, 브레이징재 (26, 27) 를 개재하여 알루미늄판 (22, 23) 을 적층한다. 브레이징재 (26, 27) 로는, Al-Si 계 브레이징재나 Al-Si-Mg 계 브레이징재 등을 사용하는 것이 바람직하다.
또, 본 실시형태에서는, 금속층 (13) 이 되는 알루미늄판 (23) 의 타방의 면측 (도 5 에 있어서 하측) 에, 클래드재 (51) 를 적층한다.
이 클래드재 (51) 는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 심재 (51a) 와, 이 심재 (51a) 의 양면에 형성된 브레이징재층 (51b) 을 구비하고 있다. 본 실시형태에 있어서는, 심재 (51a) 는 A3003 합금으로 구성되고, 브레이징재층 (51b) 은 A4045 합금으로 구성되어 있다.
또, 클래드재 (51) 의 심재 (51a) 의 두께 (ta) 와 브레이징재층 (51b) 의 두께 (tb) 의 비 (tb/ta) 가 0.1 이상 0.3 이하의 범위 내로 되어 있다.
그리고, 상기 서술한 알루미늄판 (22), 세라믹스 기판 (11), 알루미늄판 (23), 클래드재 (51) 를, 적층 방향으로 가압한 상태에서 가열하여, 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (22, 23) 을 접합하여 회로층 (12) 및 금속층 (13) 을 형성함과 함께, 클래드재 (51) 의 브레이징재층 (51b) 의 합금 원소를 심재 (51a) 및 알루미늄판 (23) 측으로 확산시킴으로써, 금속층 (13) 중 세라믹스 기판 (11) 과는 반대측의 영역에, 금속층 (13) 의 두께 중앙부보다 합금 원소 농도가 높으며, 또한, 고상선 온도가 650 ℃ 이하로 된 합금 원소 고농도부 (13a) 가 형성되게 된다.
즉, 본 실시형태에서는, 회로층 및 금속층 형성 공정 S01 과 합금 원소 고농도부 형성 공정 S02 를 일괄로 실시하고 있다.
회로층 및 금속층 형성 공정 S01/합금 원소 고농도부 형성 공정 S02 의 접합 조건은, 분위기를 진공으로 하고, 가압 하중을 0.1 ㎫ 이상 3.5 ㎫ 이하의 범위 내, 가열 온도를 560 ℃ 이상 630 ℃ 이하의 범위 내, 유지 시간을 15 min 이상 60 min 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 합금 원소의 확산 상태를 제어하기 위해서, 상기 서술한 범위 내에서 접합 온도 및 유지 시간을 조정하는 것이 바람직하다.
이상과 같이 하여, 본 실시형태인 절연 회로 기판 (10) 이 형성된다.
(히트 싱크 접합 공정 S03)
다음으로, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 합금 원소 고농도부 (13a) 가 형성된 금속층 (13) 의 타방의 면측 (도 7 에 있어서 하측) 에, 구리 접합재로서 무산소동의 압연판으로 이루어지는 구리판 (52) 을 개재하여, 히트 싱크 (41) 를 적층한다. 히트 싱크 (41) 는, 스킨층 (43) 이 구리판 (52) 측을 향하도록 적층한다.
그리고, 절연 회로 기판 (10), 합금 원소 고농도부 (13a) 가 형성된 절연 회로 기판 (10), 구리판 (52), 히트 싱크 (41) 를, 적층 방향으로 가압하고 가열하여, 금속층 (13) 의 합금 원소 고농도부 (13a) 와 구리판 (52), 구리판 (52) 과 히트 싱크 (41) (스킨층 (43)) 를 각각 고상 확산 접합한다.
본 실시형태에서는, 고상 확산 조건으로서, 적층 방향의 하중을 0.6 ㎫ 이상 3.5 ㎫ 이하의 범위 내로 하였다. 접합 온도는 460 ℃ 이상 540 ℃ 이하의 범위 내, 바람직하게는 480 ℃ 이상 520 ℃ 이하의 범위 내이면 된다. 유지 시간은 30 min 이상 240 min 이하의 범위 내로 하였다.
이상과 같은 공정에 의해, 본 실시형태인 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판 (40) 이 제조된다.
(반도체 소자 접합 공정 S04)
다음으로, 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판 (40) 의 회로층 (12) 에, 솔더재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 적층하고, 환원로 내에 있어서, 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판 (40) 의 회로층 (12) 과 반도체 소자 (3) 를 접합한다.
이상과 같이 하여, 도 1 에 나타내는 파워 모듈 (1) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판 (40) 의 제조 방법에 의하면, 금속층 (13) 중 세라믹스 기판 (11) 과는 반대측의 영역에, 금속층 (13) 의 두께 중앙부보다 합금 원소 농도가 높으며, 또한, 고상선 온도가 650 ℃ 이하로 된 합금 원소 고농도부 (13a) 를 형성하는 합금 원소 고농도부 형성 공정 S02 와, 금속층 (13) 의 합금 원소 고농도부 (13a) 와 히트 싱크 (41) 의 접합면 (본 실시형태에서는 스킨층 (43)) 사이에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (52) 을 적층하고, 금속층 (13) 의 합금 원소 고농도부 (13a) 와 구리판 (52), 구리판 (52) 과 히트 싱크 (41) 를 고상 확산 접합함으로써 히트 싱크 (41) 를 접합하는 히트 싱크 접합 공정 S03 을 구비하고 있기 때문에, 금속층 (13) 의 합금 원소 고농도부 (13a) 와, 히트 싱크 (41) 의 접합면 (본 실시형태에서는 스킨층 (43)) 을 구성하는 알루미늄 및 알루미늄 합금의 고상선 온도의 차를 작게 할 수 있고, 비교적 저온 조건에서 고상 확산 접합한 경우여도, 금속층 (13) 의 합금 원소 고농도부 (13a) 의 Al 과 구리판 (52) 의 Cu, 구리판 (52) 의 Cu 와 히트 싱크 (41) 의 접합면의 Al 을 충분히 확산시킬 수 있어, 절연 회로 기판 (10) 과 히트 싱크 (41) 를 확실하게 접합하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태에 있어서의 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판 (40) 에 있어서는, 금속층 (13) 이, 알루미늄 (본 실시형태에서는 4 N 알루미늄) 으로 구성되고, 금속층 (13) 의 두께 중앙부에 있어서의 인덴테이션 경도가 50 mgf/㎛2 미만으로 되어 있기 때문에, 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판 (40) 에 대해 냉열 사이클을 부하했을 때에, 금속층 (13) 을 변형시킴으로써 열 변형을 완화할 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 의 균열 등의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 히트 싱크 (41) 가, SiC 로 이루어지는 다공질체와 이 다공질체에 함침된 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄재로 이루어지는 Al-SiC 복합 재료 (이른바 AlSiC) 로 구성되어 있고, 구체적으로는, SiC 로 이루어지는 다공질체에 함침시키는 알루미늄재로서 ADC12 (고상선 온도 570 ℃) 를 사용하고 있기 때문에, 히트 싱크 (41) 의 열팽창 계수가 절연 회로 기판 (10) 의 열팽창 계수에 근사하게 되어, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 열 변형의 발생을 억제할 수 있다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 합금 원소 고농도부 형성 공정 S02 가, 금속층 (13) 중 세라믹스 기판 (11) 과는 반대측의 면에, 심재 (51a) 와 이 심재 (51a) 의 양면에 브레이징재층 (51b) 이 형성된 클래드재 (51) 를 적층하고 가열하여, 브레이징재층 (51b) 의 합금 원소를 확산시킴으로써, 합금 원소 고농도부 (13a) 를 형성하는 구성으로 되어 있기 때문에, 금속층 (13) 중 세라믹스 기판 (11) 과는 반대측의 영역에, 금속층 (13) 의 두께 중앙부보다 합금 원소 농도가 높으며, 또한, 고상선 온도가 650 ℃ 이하로 된 합금 원소 고농도부 (13a) 를 확실하게 형성할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 합금 원소 고농도부 형성 공정 S02 에서 사용되는 클래드재 (51) 의 심재 (51a) 의 두께 (ta) 와 브레이징재층 (51b) 의 두께 (tb) 의 비 (tb/ta) 가 0.1 이상 0.3 이하의 범위 내로 되어 있기 때문에, 금속층 (13) 중 세라믹스 기판 (11) 과는 반대측의 영역에, 금속층 (13) 의 두께 중앙부보다 합금 원소 농도가 높으며, 또한, 고상선 온도가 650 ℃ 이하로 된 합금 원소 고농도부 (13a) 를 확실하게 형성할 수 있다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 의 합금 원소 고농도부 (13a) 의 고상선 온도와, 히트 싱크 (41) 의 접합면 (본 실시형태에서는 스킨층 (43)) 을 구성하는 알루미늄 합금의 고상선 온도의 온도차가 0 ℃ 이상 80 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있기 때문에, 히트 싱크 접합 공정 S03 에 있어서 비교적 저온 조건에서 고상 확산 접합한 경우라도, 금속층 (13) (합금 원소 고농도부 (13a)) 의 Al 과 구리판 (52) 의 Cu, 구리판 (52) 의 Cu 와 히트 싱크 (41) 의 접합면의 Al 을 충분히 확산시킬 수 있어, 절연 회로 기판 (10) 과 히트 싱크 (41) 를 확실하게 고상 확산 접합할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니며, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
예를 들어, 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (11) 으로서, 질화알루미늄 (AlN) 을 예로 들어 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 알루미나 (Al2O3), 질화규소 (Si3N4) 등의 다른 세라믹스로 구성된 것이어도 된다. 또, 절연 수지 등을 사용해도 된다.
또, 히트 싱크로서 방열판을 예로 들어 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 냉각 매체가 유통하는 유로를 구비한 냉각기 등이어도 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 히트 싱크를, SiC 의 다공질체에 ADC12 로 이루어지는 알루미늄재를 함침시킨 Al-SiC 복합 재료 (이른바 AlSiC) 로 구성한 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 히트 싱크의 접합면이, 고상선 온도가 650 ℃ 이하인 알루미늄 합금으로 구성되어 있으면, 그 재질이나 구조에 한정은 없다.
또한, 본 실시형태에서는, 회로층을 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성한 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 회로층을 구리 또는 구리 합금 등의 다른 금속으로 구성해도 되고, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄층과 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리층이 적층된 구조로 되어 있어도 된다.
그리고, 본 실시형태에서는, 클래드재를 금속층에 적층하여 가열 처리함으로써 합금 원소 고농도부를 형성하는 것으로서 설명했지만, 합금 원소 고농도부 형성 공정의 수단에 대해서는 특별히 제한은 없다.
또, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (112) 이, 절연층이 되는 세라믹스 기판 (11) 측에 형성된 알루미늄층 (112A) 과, 이 알루미늄층 (112A) 에 적층된 구리층 (112B) 을 구비하고 있고, 이 알루미늄층 (112A) 의 세라믹스 기판 (11) 과는 반대측의 영역에, 알루미늄층 (112A) 의 두께 중앙부보다 합금 원소 농도가 높으며, 또한, 고상선 온도가 650 ℃ 이하로 된 제 2 합금 원소 고농도부 (112C) 가 형성된 절연 회로 기판 (110), 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판 (140) 으로 해도 된다.
이 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판 (140) 에 있어서도, 금속층 (13), 알루미늄 접합층 (31), 구리 접합층 (32), 히트 싱크 (41) 를 구비하고 있다.
도 8 에 나타내는 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판 (140) 은, 이하와 같이 하여 제조된다.
(알루미늄층 및 금속층 형성 공정 S101/합금 원소 고농도부 형성 공정 S102)
먼저, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 10 에 있어서 상면) 에, 브레이징재 (126) 를 개재하여 알루미늄층이 되는 알루미늄판 (122A) 을 적층하고, 추가로 알루미늄판 (122A) 의 일방의 면에, 클래드재 (51) 를 적층한다.
또한, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 10 에 있어서 하면) 에, 브레이징재 (127) 를 개재하여, 금속층 (13) 이 되는 알루미늄판 (23) 을 적층하고, 추가로 알루미늄판 (23) 의 타방의 면에, 클래드재 (51) 를 적층한다.
알루미늄층 (112A) 이 되는 알루미늄판 (122A), 및, 금속층 (13) 이 되는 알루미늄판 (23) 은, 예를 들어 순도 99.99 mass％ 이상의 알루미늄 (4 N 알루미늄), 순도 99 mass％ 이상의 알루미늄 (2 N 알루미늄) 으로 구성되어 있다.
또, 브레이징재 (126, 127) 는, Al-Si-Mg 계 합금으로 구성되어 있다.
그리고, 상기 서술한 클래드재 (51), 알루미늄판 (122A), 브레이징재 (126), 세라믹스 기판 (11), 브레이징재 (127), 알루미늄판 (23), 클래드재 (51) 를, 적층 방향으로 가압한 상태에서 가열하여, 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (122A, 23) 을 접합하여 알루미늄층 (112A) 및 금속층 (13) 을 형성한다.
또한, 클래드재 (51) 의 브레이징재층 (51b) 의 합금 원소를 심재 (51a) 및 알루미늄판 (122A) 측으로 확산시킴으로써, 알루미늄층 (112A) 중 세라믹스 기판 (11) 과는 반대측의 영역에, 알루미늄층 (112A) 의 두께 중앙부보다 합금 원소 농도가 높으며, 또한, 고상선 온도가 650 ℃ 이하로 된 제 2 합금 원소 고농도부 (112C) 를 형성한다.
또, 클래드재 (51) 의 브레이징재층 (51b) 의 합금 원소를 심재 (51a) 및 알루미늄판 (23) 측으로 확산시킴으로써, 금속층 (13) 중 세라믹스 기판 (11) 과는 반대측의 영역에, 금속층 (13) 의 두께 중앙부보다 합금 원소 농도가 높으며, 또한, 고상선 온도가 650 ℃ 이하로 된 합금 원소 고농도부 (13a) 를 형성한다.
접합 조건은, 분위기를 진공으로 하고, 가압 하중을 0.1 ㎫ 이상 3.5 ㎫ 이하의 범위 내, 가열 온도를 600 ℃ 이상 640 ℃ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
(구리층 형성 공정 S103/히트 싱크 접합 공정 S104)
다음으로, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 제 2 합금 원소 고농도부 (112C) 가 형성된 알루미늄층 (112A) 의 일방의 면 (도 11 에 있어서 상측) 에 구리층 (112B) 이 되는 구리판 (122B) 을 적층한다. 또, 합금 원소 고농도부 (13a) 가 형성된 금속층 (13) 의 타방의 면측 (도 11 에 있어서 하측) 에, 구리 접합재로서 무산소동의 압연판으로 이루어지는 구리판 (52) 을 개재하여, 히트 싱크 (41) 를 적층한다. 히트 싱크 (41) 는, 스킨층 (43) 이 구리판 (52) 측을 향하도록 적층하여 적층체를 형성한다.
그리고, 이 적층체를, 적층 방향으로 가압하고 가열하여, 알루미늄층 (112A) (제 2 합금 원소 고농도부 (112C)) 과 구리판 (122B), 금속층 (13) (합금 원소 고농도부 (13a)) 과 구리판 (52), 구리판 (52) 과 히트 싱크 (41) (스킨층 (43)) 를 각각 고상 확산 접합한다. 본 실시형태에서는, 고상 확산 조건으로서, 적층 방향의 하중을 0.6 ㎫ 이상 3.5 ㎫ 이하의 범위 내로 하였다. 접합 온도는 460 ℃ 이상 540 ℃ 이하의 범위 내, 바람직하게는 480 ℃ 이상 520 ℃ 이하의 범위 내이면 된다. 유지 시간은 30 min 이상 240 min 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 공정에 의해, 도 8 에 나타내는 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판 (140) 이 제조된다.
실시예
이하에, 본 발명의 유효성을 확인하기 위해서 실시한 확인 실험에 대해 설명한다.
질화알루미늄 (AlN) 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜ × 두께 0.635 ㎜) 의 일방의 면에 순도 99.99 mass％ 이상의 알루미늄 (4 N 알루미늄) 으로 이루어지는 회로층 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.4 ㎜) 을 형성함과 함께, 세라믹스 기판의 타방의 면에 표 1 에 나타내는 재질 및 두께의 금속층 (37 ㎜ × 37 ㎜) 을 형성하였다. 세라믹스 기판과 회로층 및 금속층이 되는 알루미늄판의 접합은, Al-7.5 mass％ Si-0.01 mass％ Mg 브레이징재박 (두께 15 ㎛) 을 사용하였다.
또, 금속층이 되는 알루미늄판의 세라믹스 기판과는 반대측의 면에, 표 1 에 나타내는 구조의 클래드재를 적층하였다.
그리고, 표 1 에 나타내는 조건으로 가열 처리하였다.
그리고, 금속층에, SiC 의 다공질체에 표 1 에 기재된 고상선 온도를 갖는 알루미늄을 함침시킨 Al-SiC 복합 재료 (이른바 AlSiC) 로 이루어지는 히트 싱크 (50 ㎜ × 60 ㎜ × 두께 5.0 ㎜/스킨층 두께 0.1 ㎜) 를, 구리 접합재 (무산소동의 압연 : 37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 1.0 ㎜) 를 개재하여 적층하고, 이것을 적층 방향으로 21 ㎫ 로 가압하고, 490 ℃ 에서 150 min 유지하여, 합금 원소 고농도부가 형성된 금속층과 구리 접합재, 구리 접합재와 히트 싱크를 고상 확산 접합하였다.
표 2 에 있어서 히트 싱크의 재질이 4 N-Al 로 구성된 것은, 순도 99.99 mass％ 이상 (4 N-Al) 의 알루미늄판 (50 ㎜ × 60 ㎜ × 두께 5.0 ㎜) 을 사용하였다.
얻어진 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판에 대해, 이하와 같은 순서로 각 항목에 대해 평가를 실시하였다.
(인덴테이션 경도의 측정)
히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 금속층에 대해, 나노 인덴테이션법에 의해 인덴테이션 경도를 측정하였다. 측정은, 금속층의 두께 방향 중앙부의 10 개 지점에서 실시하고, 그 평균치로 하였다. 인덴테이션 경도는, 베르코비치 압자로 불리는 능간각 (稜間角) 이 114.8 °이상 115.1 °이하인 삼각뿔 다이아몬드 압자를 사용하여 시험 하중을 5000 mgf 로 하여 부하를 가했을 때의 하중-변위의 상관을 계측하고, 인덴테이션 경도 ＝ 37.926 × 10-3 × (하중〔mgf〕÷ 변위〔 ㎛〕2) 의 식으로부터 구하였다.
(합금 원소 고농도부의 유무)
두께 방향을 따른 단면을 관찰하고, 전자 프로브 마이크로 애널라이저 (니혼 전자 제조 JXA-8800RL) 를 사용하여, 가속 전압 1.5 ㎸, 프로브 직경 50 ㎛, 조사 전류 5.0 × 10-8 A 의 조건에서 EPMA 에 의한 정량 분석을 실시하고, 금속층의 두께 중앙부보다 합금 원소 농도가 높으며, 또한, 고상선 온도가 650 ℃ 이하로 된 합금 원소 고농도부의 유무를 확인하였다.
(접합 상태)
히트 싱크를 구성하는 알루미늄 (AlSiC 의 경우에는 함침되어 있는 알루미늄) 과 알루미늄 접합층을 구성하는 알루미늄 중, 고상선 온도가 높은 알루미늄을 갖는 부재와 구리 접합재의 계면의 초음파 탐상 이미지를, 초음파 탐상 장치 (주식회사 히타치 파워 솔루션즈 제조 FineSAT200) 를 사용하여 측정하고, 이하의 식으로부터 접합률을 산출하였다.
초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적, 즉 구리 접합재의 면적으로 하였다.
(접합률) ＝ {(초기 접합 면적) － (박리 면적)}/(초기 접합 면적)
초음파 탐상 이미지를 2 치화 처리한 화상에 있어서 박리는 접합층 내의 백색부로 나타나기 때문에, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 하였다.
접합률이 90 ％ 이상이었던 경우를 「○」, 접합률이 90 ％ 미만이었던 경우를 「×」로 평가하였다.
(세라믹스 균열)
히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판에 대해, －40 ℃ ←→ 150 ℃ 의 냉열 사이클을 3000 사이클 실시하여, 냉열 사이클 후에 세라믹스 기판을 초음파 탐상 장치에 의해 관찰하고, 균열이 확인되지 않은 것을 「○」, 균열이 발생된 것을 「×」로 평가하였다.
Figure 112020101326256-pct00001
Figure 112020101326256-pct00002
금속층의 인덴테이션 경도가 50 mgf/㎛2 이상인 비교예 1, 2, 6 에 있어서는, 냉열 사이클 부하 후에 세라믹스 균열이 확인되었다. 금속층이 비교적 단단하기 때문에, 냉열 사이클을 부하했을 때에 금속층이 용이하게 변형되지 않아, 열 변형을 완화할 수 없었기 때문으로 추측된다.
클래드재의 심재의 두께 (ta) 와 브레이징재층의 두께 (tb) 의 비 (tb/ta) 가 0.1 미만으로 된 비교예 3, 5 에 있어서는, 접합률이 90 ％ 미만이고, 접합 상태가 불충분하였다. 클래드재에 심재를 사용하지 않았던 비교예 4 에 있어서는, 접합률이 90 ％ 미만으로, 접합 상태가 불충분하였다.
클래드재를 사용하지 않고, 합금 원소 고농도부가 형성되지 않았던 비교예 7 에 있어서는, 접합률이 90 ％ 미만으로, 접합 상태가 불충분하였다.
이에 비해, 금속층의 인덴테이션 경도가 50 mgf/㎛2 미만으로 되고, 클래드재의 심재의 두께 (ta) 와 브레이징재층의 두께 (tb) 의 비 (tb/ta) 가 0.1 이상 0.3 이하의 범위 내로 된 실시예 1-6 에 있어서는, 접합률이 90 ％ 이상으로, 접합 상태가 양호하였다. 또, 냉열 사이클 부하 후에 세라믹스 균열이 확인되지 않았다. 금속층이 비교적 부드럽기 때문에, 냉열 사이클을 부하했을 때에 금속층이 변형되어, 열 변형을 완화할 수 있었기 때문으로 추측된다.
이상으로부터, 본 발명에 의하면, 금속층을 비교적 변형 저항이 작은 알루미늄으로 구성하고, 히트 싱크의 접합면을 비교적 고상선 온도가 낮은 알루미늄 합금으로 구성한 경우여도, 금속층과 히트 싱크를 확실하게 고상 확산 접합할 수 있는 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법을 제공 가능한 것이 확인되었다.
본 발명에 의하면, 금속층을 비교적 변형 저항이 작은 알루미늄으로 구성하고, 히트 싱크의 접합면을 비교적 고상선 온도가 낮은 알루미늄 합금으로 구성한 경우여도, 금속층과 히트 싱크를 확실하게 고상 확산 접합할 수 있는 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법을 제공하는 것이 가능해진다.
10 : 절연 회로 기판
11 : 세라믹스 기판 (절연층)
12 : 회로층
13 : 금속층
13a : 합금 원소 고농도부
32 : 구리 접합층
40 : 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판
41 : 히트 싱크
43 : 스킨층 (접합면)
51 : 클래드재
51a : 심재
51b : 브레이징재층
52 : 구리판 (구리 접합재)

Claims (4)

  1. 절연층의 일방의 면에 회로층이 형성됨과 함께 상기 절연층의 타방의 면에 금속층이 형성된 절연 회로 기판과, 이 절연 회로 기판의 상기 금속층측에 접합된 히트 싱크를 구비한 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법으로서,
    상기 금속층은 알루미늄으로 구성되고, 상기 금속층의 두께 중앙부의 인덴테이션 경도가 50 mgf/㎛2 미만이고,
    상기 히트 싱크는, 상기 절연 회로 기판과의 접합면이, 고상선 온도가 650 ℃ 이하인 알루미늄 합금으로 구성되어 있고,
    상기 금속층 중 상기 절연층과는 반대측의 영역에, 심재와 이 심재의 양면에 브레이징재층이 형성된 클래드재를 적층하고 가열하여, 상기 브레이징재층의 합금 원소를 확산시킴으로써, 상기 금속층의 두께 중앙부보다 합금 원소 농도가 높으며, 또한, 고상선 온도가 650 ℃ 이하로 된 합금 원소 고농도부를 형성하는 합금 원소 고농도부 형성 공정과,
    상기 금속층과 상기 히트 싱크의 접합면 사이에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 접합재를 적층하고, 상기 금속층과 상기 구리 접합재, 상기 구리 접합재와 상기 히트 싱크를 고상 확산 접합함으로써 히트 싱크를 접합하는 히트 싱크 접합 공정을 구비하고 있고,
    상기 클래드재의 상기 심재의 두께 (ta) 와 브레이징재층의 두께 (tb) 의 비 (tb/ta) 가 0.1 이상 0.3 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 합금 원소 고농도부는, Si 농도가 2.0 mass％ 이상 7.0 mass％ 이하의 범위 내, Mn 농도가 1.0 mass％ 이상 1.5 mass％ 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 합금 원소 고농도부 형성 공정은, 상기 절연층에 상기 금속층을 형성하는 금속층 형성 공정과 동시에 실시하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 회로층은, 상기 절연층측에 형성된 알루미늄층과, 이 알루미늄층에 적층된 구리층을 구비하고 있고, 이 알루미늄층 중 상기 절연층과는 반대측의 영역에, 상기 알루미늄층의 두께 중앙부보다 합금 원소 농도가 높으며, 또한, 고상선 온도가 650 ℃ 이하로 된 제 2 합금 원소 고농도부가 형성되어 있고,
    상기 합금 원소 고농도부 형성 공정에 있어서, 상기 합금 원소 고농도부와 상기 제 2 합금 원소 고농도부를 형성하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법.
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