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KR20140127250A - 땜납 접합 구조, 파워 모듈, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 및 그것들의 제조 방법, 그리고 땜납 하지층 형성용 페이스트 - Google Patents

땜납 접합 구조, 파워 모듈, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 및 그것들의 제조 방법, 그리고 땜납 하지층 형성용 페이스트 Download PDF

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KR20140127250A
KR20140127250A KR20147022600A KR20147022600A KR20140127250A KR 20140127250 A KR20140127250 A KR 20140127250A KR 20147022600 A KR20147022600 A KR 20147022600A KR 20147022600 A KR20147022600 A KR 20147022600A KR 20140127250 A KR20140127250 A KR 20140127250A
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KR
South Korea
Prior art keywords
layer
solder
power module
aluminum
oxide
Prior art date
Application number
KR20147022600A
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English (en)
Other versions
KR102066300B1 (ko
Inventor
슈지 니시모토
기미히토 니시카와
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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Priority claimed from JP2012029646A external-priority patent/JP5915233B2/ja
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Abstract

이 땜납 접합 구조, 상기 접합 구조를 이용한 파워 모듈, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 및 그것들의 제조 방법, 그리고 땜납 하지층 형성용 페이스트에서는, 금속 부재 상에 배치 형성되고, 소성됨으로써, 금속 부재 표면에 발생한 산화 피막과 반응하여 금속 부재 상에 땜납 하지층을 형성하고, 파워 사이클 및 히트 사이클 부하시에 있어서도, 알루미늄 부재의 표면에 기복이나 주름이 발생하는 것을 억제할 수 있고, 피접합 부재와의 접합 신뢰성을 향상시키는 것이 가능하다.

Description

땜납 접합 구조, 파워 모듈, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 및 그것들의 제조 방법, 그리고 땜납 하지층 형성용 페이스트{SOLDER JOINT STRUCTURE, POWER MODULE, HEAT-SINK-ATTACHED SUBSTRATE FOR POWER MODULE, METHOD FOR PRODUCING SAID SUBSTRATE, AND PASTE FOR FORMING SOLDER UNDERLAYER}
본 발명은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 부재와, 피접합 부재를 땜납재를 사용하여 접합하는 땜납 접합 구조, 이 땜납 접합 구조를 이용한 파워 모듈, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 및 그것들의 제조 방법, 그리고 금속 부재 상에 배치 형성되고, 소성됨으로써 상기 금속 부재 상에 땜납 하지층을 형성하는 땜납 하지층 형성용 페이스트에 관한 것이다.
본원은, 2012년 2월 14일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2012-029646호, 및 2012년 2월 14일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2012-029683호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
금속 부재와 피접합재를 땜납 접합하여 구성되는 땜납 접합 구조로는, 예를 들어, 특허문헌 1, 2 에 나타내는 바와 같은 파워 모듈을 들 수 있다.
파워 모듈은, 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층이 되는 금속판 (예를 들어 Al (알루미늄)) 이 접합되어 이루어지는 파워 모듈용 기판과, 회로층의 일방의 면에 탑재되는 파워 소자 (반도체 소자) 를 구비하고 있다.
또, 파워 모듈용 기판의 타방의 면측에는, 파워 소자 (반도체 소자) 로부터의 열을 방산하기 위하여, 히트 싱크로서 방열판이나 냉각기 등이 배치 형성되는 경우가 있다.
상기 서술한 파워 모듈에 있어서는, 회로층과 파워 소자 (반도체 소자) 는, 땜납재를 개재하여 접합된다. 즉, 회로층이 금속 부재 (알루미늄 부재) 로 되고, 파워 소자 (반도체 소자) 가 피접합 부재로 된, 땜납 접합 구조를 이루고 있는 것이다.
또, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크에 대해서도, 땜납재를 개재하여 접합되는 경우가 있다.
또한, 회로층 등이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된 알루미늄 부재로 되어 있는 경우에는, 회로층의 표면에 알루미늄의 산화 피막이 형성되기 때문에, 그대로는 땜납 접합을 양호하게 실시할 수 없다.
또, 회로층 등이 구리 또는 구리 합금으로 구성된 구리 부재로 되어 있는 경우에는, 용융시킨 땜납재와 구리가 반응하여, 회로층 등의 구리 부재의 내부에 땜납재의 성분이 침입하여, 특성이 변화한다는 문제가 있었다.
그래서, 종래에는 회로층의 표면에 무전해 도금 등에 의해, 하지층으로서 Ni 도금막을 형성하고, 이 Ni 도금막 상에 땜납재를 배치 형성하여 반도체 소자를 접합하고 있었다.
여기서, 상기 서술한 파워 모듈에 있어서는, 그 사용시에 파워 사이클 및 히트 사이클이 부하되게 된다. 파워 모듈에 파워 사이클 및 히트 사이클이 부하 된 경우에는, 세라믹스 기판과 회로층 (알루미늄) 의 열팽창 계수의 차에 의한 응력이 세라믹스 기판과 회로층의 접합 계면에 작용하고, 접합 신뢰성이 저하될 우려가 있었다. 그래서, 종래에는, 순도가 99.99 ％ 이상인 4N 알루미늄 등의 비교적 변형 저항이 작은 금속 부재 (알루미늄) 로 회로층을 구성하고, 상기 서술한 열응력을 회로층의 변형에 의해 흡수함으로써, 접합 신뢰성의 향상을 도모하고 있다.
또, 특허문헌 3 에는, Ni 도금막을 형성하지 않고, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 회로층과 땜납층을 도통시키는 도전 접합층 (땜납 하지층) 을 형성할 수 있는 도전성 조성물 (땜납 하지층 형성용 페이스트) 이 기재되어 있고, 상기 회로층과 피접합 부재를 유리층, Ag 층 및 땜납층을 개재하여 접합하고 있는 구조가 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 2007-311526호 일본 공개특허공보 2008-227336호 일본 공개특허공보 2010-287554호
그런데, 회로층을 순도가 99.99 ％ 이상 (4N 알루미늄) 등의 비교적 변형 저항이 작은 금속 부재 (알루미늄 등) 로 구성한 경우, 파워 사이클 및 히트 사이클을 부하했을 때에, 회로층의 표면에 기복이나 주름이 발생한다는 문제가 있었다. 회로층의 표면에 기복이나 주름이 발생하면, 파워 모듈의 신뢰성이 저하되게 된다.
또, 특허문헌 3 에서는, 소성에 의해, 상기 회로층 표면에 자연 발생한 알루미늄 산화 피막과 반응하여 상기 회로층과 도통하는 도전 접합층을 형성할 수 있기는 하지만, 회로층과 반도체 소자의 땜납 접합 후에 생기는 회로층 표면의 기복이나 주름에 대한 시점은 없었다.
특히, 최근에는 파워 모듈의 소형화·박육화가 진행됨과 함께, 그 사용 환경도 엄격해지고 있고, 반도체 소자 등의 전자 부품으로부터의 발열량이 커지고 있다. 그 때문에, 파워 사이클 및 히트 사이클의 조건이 엄격해지고 있고, 회로층의 표면에 기복이나 주름이 발생하기 쉬운 경향이 있어, 파워 모듈의 신뢰성 저하의 문제가 있었다.
또한, 이와 같은 기복이나 주름은, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크의 접합 부분에 있어서도 문제가 된다.
본 발명은, 상기 서술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 파워 사이클 및 히트 사이클 부하시에 있어서도, 알루미늄 부재의 표면에 기복이나 주름이 발생하는 것을 억제할 수 있고, 피접합 부재와의 접합 신뢰성을 향상시키는 것이 가능한 땜납 접합 구조, 이 땜납 접합 구조를 이용한 파워 모듈, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 및 그것들의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 또한, 금속 부재 상에 배치 형성되고, 소성됨으로써, 금속 부재 표면에 발생한 산화 피막과 반응하여 금속 부재 상에 땜납 하지층을 형성하고, 파워 사이클 및 히트 사이클 부하시에 있어서도, 금속 부재의 표면에 기복이나 주름이 발생하는 것을 억제할 수 있는 땜납 하지층 형성용 페이스트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 예의 연구한 결과, 금속 부재 (알루미늄 부재) 의 일방의 면에 Ag 층이 형성되어 있는 경우, 히트 사이클 부하시에 있어서도, 땜납의 변형이 억제되고, 금속 부재 (알루미늄 부재) 의 표면에 있어서의 기복이나 주름의 발생이 억제되는 것을 알아냈다. 이것은, Ag 는 알루미늄보다 단단한 금속인 점에서, Ag 층에 의해 알루미늄 부재의 소성 변형이 억제되기 때문인 것으로 추측된다.
그러나, 히트 사이클 부하시에 있어서 국소적으로 금속 부재가 소성 변형되어, 기복이나 주름이 생기는 경우가 있었다.
그리고, 더욱 검토를 진행시킨 결과, Ag 가 땜납 내로 확산되어 Ag 침식이 생긴 지점에 있어서, 땜납 내부에 크랙이 생기는 경우가 있는 것을 알 수 있었다. 즉, Ag 침식이 생긴 지점에서는, Ag 층이 충분히 형성되지 않고 금속 부재 (알루미늄 부재) 의 표면이 국소적으로 소성 변형을 일으켜, 기복이나 주름이 발생하고, 땜납 내부에 크랙이 생길 우려가 있는 것이 판명되었다.
본 발명은, 상기 서술한 지견에 기초하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 땜납 접합 구조는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 부재와, 피접합 부재를 땜납재를 사용하여 접합하는 땜납 접합 구조로서, 상기 알루미늄 부재의 표면에 형성된 유리층과, 이 유리층에 적층된 Ag 층과, 상기 Ag 층에 적층된 땜납층을 구비하고 있고, 상기 Ag 층에는, 결정성의 산화물 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 땜납 접합 구조에 의하면, Ag 층에는, 결정성의 산화물 입자가 분산되어 있으므로, Ag 가 땜납 내로 확산되는 것이 억제된다. 그리고, 알루미늄 부재에 생기는 기복이나 주름의 발생을 억제하고, 땜납에 생기는 크랙의 발생을 방지할 수 있기 때문에, 피접합 부재와의 땜납 접합 구조의 신뢰성을 향상시키는 것이 가능해진다.
또, 알루미늄 부재의 표면에 유리층이 형성되어 있기 때문에, 알루미늄 부재의 표면에 존재하는 산화 피막을 이 유리층에 반응시켜 제거할 수 있고, 알루미늄 부재와 피접합 부재를 땜납재를 개재하여 확실하게 접합하는 것이 가능해진다. 따라서, 알루미늄 부재의 표면에 Ni 도금막 등을 형성할 필요가 없다.
또한, 상기 결정성의 산화물 입자는, 산화티탄, 산화규소, 산화아연 중 어느 1 종 또는 2 종 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
산화티탄, 산화규소, 산화아연에서 선택되는 결정성의 산화물 입자가, 땜납과 접합된 Ag 층 중에 분산되면, Ag 가 땜납 내부로 확산되는 것이 억제된다. Ag 중에 산화물 입자가 분산되어 있음으로써, 소성시에 있어서 Ag 층이 네킹되는 면적이 적어진다. 이와 같이 소결된 Ag 층에 대해 땜납 접합을 실시하면, 완전히 네킹된 Ag 층과 비교하여, Ag 의 땜납 내부로의 확산이 잘 생기지 않게 되기 때문에, 땜납에 대한 Ag 침식을 억제할 수 있다.
본 발명의 파워 모듈은, 절연층의 일방의 면에 알루미늄 부재로 이루어지는 회로층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판과, 상기 회로층의 일방의 면에 접합된 반도체 소자를 구비한 파워 모듈로서, 상기 회로층과 상기 반도체 소자의 접합부가 상기 서술한 땜납 접합 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이와 같은 구성으로 된 본 발명의 파워 모듈에 있어서는, 알루미늄 부재가 되는 회로층과, 피접합 부재가 되는 반도체 소자가, 유리층, 결정성의 산화물 입자가 분산된 Ag 층, 땜납층을 개재하여 접합되어 있다. 그 때문에, Ag 가 땜납으로 확산되는 것이 억제되어, Ag 층의 형성을 유지할 수 있고, 회로층의 표면의 기복이나 주름의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
따라서, 땜납층에 있어서의 크랙의 발생을 억제할 수 있고, 반도체 소자의 접합 신뢰성이 우수한 파워 모듈을 제공하는 것이 가능해진다.
본 발명의 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판은, 절연층의 일방의 면에 회로층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판과, 이 파워 모듈용 기판의 타방의 면측에 접합된 히트 싱크를 구비한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판으로서, 상기 히트 싱크의 접합면 및 상기 파워 모듈용 기판의 접합면 중 적어도 일방은, 알루미늄 부재로 구성되어 있고, 상기 히트 싱크와 상기 파워 모듈용 기판의 접합부가 상기 서술한 땜납 접합 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이와 같은 구성으로 된 본 발명의 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 파워 모듈용 기판의 접합면 및 상기 히트 싱크의 접합면 중 적어도 일방은, 알루미늄 부재로 구성되어 있는 점에서, 상기 파워 모듈용 기판의 접합면을 갖는 부재 및 상기 히트 싱크의 접합면을 갖는 부재 중 일방이 상기 서술한 땜납 접합 구조의 알루미늄 부재에 해당하고, 타방이 피접합 부재에 해당하게 된다. 그리고, 이 알루미늄 부재와 피접합 부재가, 유리층, 결정성의 산화물 입자가 분산된 Ag 층, 땜납층을 개재하여 접합되어 있다. 그 때문에, Ag 가 땜납으로 확산되는 것을 억제하여 Ag 층을 유지할 수 있고, 알루미늄 부재의 표면의 기복이나 주름의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
따라서, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크의 접합 신뢰성이 향상되고, 히트 싱크에 의해 열을 효율적으로 방산시키는 것이 가능해진다.
또한, 히트 싱크로는, 판상의 방열판, 내부에 냉매가 유통하는 냉각기, 핀이 형성된 액랭, 공랭 방열기, 히트 파이프 등, 열의 방산에 의해 온도를 낮추는 것을 목적으로 한 금속 부품이 포함된다.
본 발명의 땜납 접합 구조의 제조 방법에서는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 부재와, 피접합 부재를 땜납재를 사용하여 접합하는 땜납 접합 구조의 제조 방법으로서, 상기 알루미늄 부재의 표면에 유리 및 결정성의 산화물 입자를 함유하는 땜납 하지층 형성용 페이스트를 도포하는 도포 공정과, 상기 땜납 하지층 형성용 페이스트를 도포한 상태에서 가열 처리하여 상기 땜납 하지층 형성용 페이스트를 소성하는 소성 공정과, 상기 땜납 하지층 형성용 페이스트의 소성체로 이루어지는 Ag 소성층의 표면에 땜납재를 개재하여 상기 피접합 부재를 땜납 접합하는 땜납 접합 공정을 구비하고, 상기 Ag 소성층에는, 결정성의 산화물 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 제조 방법에 의하면, Ag 소결층에 결정성의 산화물 입자를 분산시킬 수 있기 때문에, 땜납 접합 공정에 있어서 Ag 가 땜납 내로 확산되는 것을 억제할 수 있는 땜납 접합 구조를 제조할 수 있다. 그리고, 알루미늄 부재에 생기는 기복이나 주름의 발생을 억제하고, 땜납에 생기는 크랙의 발생을 방지할 수 있기 때문에, 피접합 부재와의 땜납 접합 구조의 신뢰성을 향상시키는 것이 가능해진다.
본 발명의 파워 모듈의 제조 방법에서는, 절연층의 일방의 면에 알루미늄 부재로 이루어지는 회로층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판과, 회로층의 일방의 면에 접합된 반도체 소자를 구비하고, 회로층과 반도체 소자를 땜납 접합부로 하는 파워 모듈의 제조 방법으로서, 이 땜납 접합부를 상기 서술한 땜납 접합 구조의 제조 방법에 의해 형성하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에서는, 절연층의 일방의 면에 회로층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판과, 이 파워 모듈용 기판의 타방의 면측에 접합된 히트 싱크를 구비하고, 히트 싱크의 접합면 및 상기 파워 모듈용 기판의 접합면 중 적어도 일방은, 상기 알루미늄 부재로 구성되어 있고, 상기 히트 싱크와 상기 파워 모듈용 기판이 땜납 접합부로 하는 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 이 땜납 접합부를 상기 서술한 땜납 접합 구조의 제조 방법에 의해 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 서술한 바와 같은 땜납 접합 구조, 파워 모듈 및 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 땜납 접합부에 있어서, 결정성의 산화물 입자가 분산된 Ag 소성층을 형성할 수 있는 점에서, 땜납 접합시에 있어서 Ag 가 땜납으로 확산되는 것이 억제되어, Ag 층의 형성을 유지할 수 있고, 알루미늄 부재의 표면의 기복이나 주름의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
또, 상기 서술한 지견에 기초하여 이루어진 본 발명의 땜납 하지층 형성용 페이스트는, 금속 부재 상에 배치 형성되고, 소성됨으로써, 상기 금속 부재 상에 땜납 하지층을 형성하는 땜납 하지층 형성용 페이스트로서, 은 분말과, 유리 분말과, 결정성의 산화물 분말과, 수지와, 용제를 함유하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 땜납 하지층 형성용 페이스트에 의하면, 결정성의 산화물 분말과 은 분말을 구비하고 있고, 소성함으로써, 은 분말이 Ag 층을 형성하고, 또한 결정성의 산화물 입자가 상기 Ag 층 내부에 분산된 상기 땜납 하지층을 형성하는 것이 가능해진다. 또, 금속 부재 상에 땜납재를 개재하여 피접합 부재를 접합하는 경우에 있어서, Ag 층 내부에 분산된 결정성의 산화물 입자는, 땜납 접합시에 Ag 가 땜납 내로 확산되는 것을 억제하여, Ag 층을 유지할 수 있다. 그 때문에, 히트 사이클 부하시에 있어서도, 금속 부재에 있어서의 기복이나 주름의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
또, 유리 분말과 은 분말을 구비하고 있고, 소성함으로써 생성되는 상기 땜납 하지층이, 유리 분말이 연화되어 형성되는 유리층과, 유리층 상에 은 분말이 소결된 Ag 층을 구비하고 있기 때문에, 상기 유리층이 상기 금속 부재 상의 산화 피막과 반응하여 당해 산화 피막을 제거하게 되고, 금속 부재의 표면에 직접 접합된 땜납 하지층을 형성하는 것이 가능해진다. 또, 이 땜납 하지층은, 유리층 내부에 도전성 입자가 분산되어 있으므로, 이 도전성 입자에 의해 도전성이 확보되게 된다. 따라서, 예를 들어, 회로층 상에 땜납재를 개재하여 반도체 소자를 접합하는 경우에 있어서, 이 땜납 하지층 형성용 페이스트를 소성하여 얻어지는 땜납 하지층에 의해 회로층과 반도체 소자를 도통시키는 것이 가능해지고, 파워 모듈 등의 반도체 장치를 구성할 수 있다. 즉, 이 땜납 하지층 형성용 페이스트를 사용함으로써, 도전성 또한 열전도성이 양호한 땜납 하지층을 형성하는 것이 가능해진다.
여기서, 상기 은 분말의 함유량이, 60 질량％ 이상 90 질량％ 이하로 되고, 상기 유리 분말은, 상기 은 분말의 중량 A 와 상기 유리 분말의 중량 G 의 비 A/G 가, 80/20 내지 99/1 의 범위 내로 설정되고, 상기 결정성의 산화물 분말은, 상기 은 분말의 중량 A 와 상기 결정성의 산화물 분말의 중량 O 의 비 A/O 가, 90/10 내지 99/1 의 범위 내로 설정되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 은 분말의 함유량이 60 질량％ 이상으로 되어 있으므로, 상기 서술한 땜납 하지층에 도전성을 부여할 수 있다. 또, 상기 은 분말의 함유량이 90 질량％ 이하로 되어 있으므로, 유동성이 확보되어 금속 부재에 도포하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 은 분말의 중량 A 와 상기 유리 분말의 중량 G 의 비 A/G 가, 80/20 내지 99/1 의 범위 내로 설정되어 있으므로, 유리층과 Ag 층을 확실하게 형성할 수 있다.
또한, 은 분말의 중량 A 와 결정성의 산화물 분말의 중량 O 의 비 A/O 에 있어서, 결정성의 산화물 분말의 중량 O 가 90/10 이하로 되어 있으므로, 상기 서술한 땜납 하지층의 저항값을 증대시키는 경우가 없고, 도전성이 양호한 땜납 하지층을 형성할 수 있다. 도전성이 양호하기 때문에, 열전달도 우수한 땜납 하지층으로 할 수 있다. 또, 은 분말의 중량 A 와 결정성의 산화물 분말의 중량 O 의 비 A/O 에 있어서, 결정성의 산화물 분말의 중량 O 가 99/1 이상으로 되어 있으므로, Ag 층 중에 분산된 결정성의 산화물 입자에 의해, Ag 가 땜납으로 확산되는 것을 억제할 수 있다.
또, 상기 결정성의 산화물 분말이, 산화티탄, 산화규소, 산화아연 중 어느 1 종 또는 2 종 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
산화티탄, 산화규소, 산화아연에서 선택되는 결정성의 산화물 분말이, 땜납과 접합된 Ag 층 중에 분산되면, Ag 가 땜납 내부로 확산되는 것이 억제된다. Ag 중에 산화물 입자가 분산되어 있음으로써, 소성시에 있어서 Ag 층이 네킹되는 면적이 적어진다. 이와 같이 소결된 Ag 층에 대해 땜납 접합을 실시하면, 완전히 네킹된 Ag 층과 비교하여, Ag 의 땜납 내부로의 확산이 잘 생기지 않게 되기 때문에, 땜납에 대한 Ag 침식을 억제할 수 있다.
또, 상기 유리 분말의 연화 온도가 600 ℃ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 유리 분말의 연화 온도가 600 ℃ 이하로 되어 있으므로, 비교적 저온에서 이 땜납 하지층 형성용 페이스트를 소성해도 유리가 유동될 수 있어, 땜납 하지층을 형성하는 것이 가능해진다. 그 때문에, 땜납 하지층 형성용 페이스트를 소성할 때에 금속 부재가 열화되는 것을 방지할 수 있다.
또, 상기 유리 분말이, 산화납, 산화아연, 산화규소, 산화붕소, 산화인 및, 산화비스무트 중 어느 1 종 또는 2 종 이상을 함유하고 있는 것이 바람직하다.
이들의 산화물을 함유한 유리 분말은, 그 연화 온도가 비교적 낮아져, 소성 온도를 낮게 설정할 수 있다. 또, 결정화 온도가 비교적 높아져, 땜납 하지층 형성용 페이스트 내부에서의 유동성이 확보되고, 금속 부재와의 밀착성이 향상되게 된다.
추가로, 상기 은 분말의 평균 입경이, 0.05 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 은 분말의 평균 입경이 0.05 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 이하로 되어 있으므로, 이 땜납 하지층 형성용 페이스트를 상기 회로층 상에 도포했을 때에, 도전성 입자가 균일하게 분산되게 되고, 이 땜납 하지층 형성용 페이스트를 소성함으로써 균일한 도전성을 갖는 땜납 하지층을 형성하는 것이 가능해져, 땜납 하지층을 개재하여 반도체 소자와 회로층을 확실하게 도통시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 파워 사이클 및 히트 사이클 부하시에 있어서도, 알루미늄 부재의 표면에 기복이나 주름이 발생하는 것을 억제할 수 있고, 피접합 부재와의 접합 신뢰성을 향상시키는 것이 가능한 땜납 접합 구조, 이 땜납 접합 구조를 이용한 파워 모듈, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 및 그것들의 제조 방법을 제공할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면, 금속 부재 상에 배치 형성되고, 소성됨으로써, 금속 부재 표면에 발생한 산화 피막과 반응하여 금속 부재 상에 땜납 하지층을 형성하고, 땜납 접합시에 있어서 Ag 침식을 방지함으로써, 파워 사이클 및 히트 사이클 부하시에 있어서도, 금속 부재의 표면에 기복이나 주름이 발생하는 것을 억제할 수 있는 땜납 하지층 형성용 페이스트를 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태인 방열판이 형성된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는 도 1 에 있어서의 금속층과 방열판의 접합부의 확대 설명도이다.
도 3 은 도 1 에 있어서의 회로층과 반도체 소자의 접합부의 확대 설명도이다.
도 4 는 본 발명의 각 실시형태에 있어서 사용되는 땜납 하지층 형성용 페이스트의 제조 방법 중 하나를 나타내는 플로우도이다.
도 5 는 도 1 의 파워 모듈의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태인 냉각기가 형성된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 7 은 도 6 에 있어서의 완충층과 냉각기의 접합부의 확대 설명도이다.
도 8 은 본 발명의 각 실시형태에 있어서 사용되는 땜납 하지층 형성용 페이스트의 제조 방법 중 하나를 나타내는 플로우도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태인 땜납 접합 구조에 대해, 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 에, 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈 (1) 및 방열판이 형성된 파워 모듈용 기판 (20) 을 나타낸다. 이 제 1 실시형태에서는, 히트 싱크로서 방열판 (21) 을 사용하였다.
이 파워 모듈 (1) 은, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (10) 과, 회로층 (12) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 탑재된 반도체 소자 (3) 와, 금속층 (13) 의 타방의 면 (도 1 에 있어서 하면) 에 접합된 방열판 (21) 과, 이 방열판 (21) 의 타방의 면측에 적층된 냉각기 (31) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 절연층을 구성하는 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 것으로써, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 제 1 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에, 도전성을 갖는 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 제 1 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 알루미늄판이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
금속층 (13) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에, 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 제 1 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 은 회로층 (12) 과 마찬가지로, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 알루미늄판이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
방열판 (21) 은, 상기 서술한 파워 모듈용 기판 (10) 으로부터의 열을 면 방향으로 확산시키는 것으로, 제 1 실시형태에서는, 열전도성이 우수한 구리판으로 되어 있다.
냉각기 (31) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 냉각 매체 (예를 들어 냉각수) 를 유통시키기 위한 유로 (32) 를 구비하고 있다. 냉각기 (31) 는, 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 제 1 실시형태에 있어서는, A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
또한, 방열판 (21) 과 냉각기 (31) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 고정 나사 (22) 에 의해 체결되어 있다.
그리고, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 4N 알루미늄으로 이루어지는 금속층 (13) 과 구리로 이루어지는 방열판 (21) 사이의 제 1 접합부 (40) 에 있어서는, 금속층 (13) 의 타방의 면 (도 2 에 있어서 하면) 에 형성된 제 1 유리층 (41) 과, 이 제 1 유리층 (41) 의 타방의 면에 적층된 제 1 Ag 층 (42) 과, 이 제 1 Ag 층 (42) 의 타방의 면에 적층된 제 1 땜납층 (43) 을 구비하고 있다.
또, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 4N 알루미늄으로 이루어지는 회로층 (12) 과 반도체 소자 (3) 사이의 제 2 접합부 (50) 에 있어서는, 회로층 (12) 의 일방의 면 (도 3 에 있어서 상면) 에 형성된 제 2 유리층 (51) 과, 이 제 2 유리층 (51) 의 일방의 면에 적층된 제 2 Ag 층 (52) 과, 이 제 2 Ag 층 (52) 의 일방의 면에 적층된 제 2 땜납층 (53) 을 구비하고 있다.
여기서, 제 1 땜납층 (43) 및 제 2 땜납층 (53) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-Cu 계, Sn-Sb 계, Sn-In 계, 또는 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재 (이른바 납프리 땜납재) 로 구성되어 있다. 또, 제 1 땜납층 (43) 및 제 2 땜납층 (53) 의 두께 (th) 는, 20 ㎛ ≤ th ≤ 600 ㎛ 의 범위 내로 설정되어 있다.
제 1 유리층 (41) 및 제 2 유리층 (51) 은, 그 두께 (tg) 가 0.05 ㎛ ≤ tg ≤ 10 ㎛ 의 범위 내로 설정되어 있다.
여기서, 제 1 유리층 (41) 및 제 2 유리층 (51) 에 있어서는, 그 내부에 평균 입경이 수 나노미터 정도인 미세한 도전성 입자가 분산되어 있다. 이 도전성 입자는, Ag 또는 Al 의 적어도 일방을 함유하는 결정성 입자로 되어 있다. 또한, 제 1 유리층 (41) 및 제 2 유리층 (51) 내의 도전성 입자는, 예를 들어 투과형 전자현미경 (TEM) 을 사용함으로써 관찰되는 것이다.
그리고, 제 1 Ag 층 (42) 및 제 2 Ag 층 (52) 에는, 각각, 결정성의 산화물 입자 (44) 및 결정성의 산화물 입자 (54) 가 분산되어 있다. 결정성의 산화물 입자 (44, 54) 는, 산화티탄, 산화규소, 산화아연 중 어느 1 종 또는 2 종 이상으로 이루어지는 것으로 되어 있다.
또, 결정성의 산화물 입자의 결정 평균 입경은, 0.1 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하로 되어 있고, 제 1 실시형태에서는 평균 입경 0.5 ㎛ 였다.
이 결정성의 산화물 입자는, 제 1 Ag 층 (42) 및 제 2 Ag 층 (52) 의 단면의 원소 분석으로부터 동정할 수 있다. 원소 분석 수법으로서 예를 들어, EPMA 나 EDS 등의 전자선에 의한 분석 수법을 사용하면 된다.
여기서 평균 입자는, 레이저 회절·산란법에 의해 구한 입도 분포에 있어서의 누적 빈도가 50 ％ 에 이르는 입경 (D50) 을 의미한다.
또, 제 1 Ag 층 (42) 및 제 2 Ag 층 (52) 은, 그 두께 (ta) 가 1 ㎛ ≤ ta ≤ 100 ㎛ 의 범위 내로 설정되어 있다. 바람직하게는, 1.5 ㎛ ≤ ta ≤ 50 ㎛ 의 범위 내로 되어 있다.
여기서, 제 1 접합부 (40) 및 제 2 접합부 (50) 는, 금속층 (13) 및 회로층 (12) 의 표면에 이하에 설명하는 땜납 하지층 형성용 페이스트를 도포·소성하여 Ag 소성층을 형성하고, 이 Ag 소성층의 표면에 땜납재를 개재하여 방열판 (21) 및 반도체 소자 (3) 를 접합함으로써 형성되는 것이다.
다음으로, 제 1 실시형태에 있어서 사용되는 땜납 하지층 형성용 페이스트에 대해 설명한다.
이 땜납 하지층 형성용 페이스트는 은 분말과, 유리 분말과, 결정성의 산화물 분말과, 수지와, 분산제를 함유하고 있고, 은 분말의 함유량이, 땜납 하지층 형성용 페이스트 전체의 60 질량％ 이상 90 질량％ 이하로 되어 있고, 잔부가 유리 분말, 결정성의 산화물 분말, 수지, 용제, 분산제로 되어 있다. 은 분말의 함유량은, 보다 바람직하게는 61 질량％ 이상 80 질량％ 이하이다.
또, 유리 분말의 함유량은 바람직하게는 0.7 질량％ 이상 15 질량％ 이하, 보다 바람직하게는 1.0 질량％ 이상 10 질량％ 이하이다. 유리 분말의 함유량이 20 질량％ 이상이면, 땜납 젖음성에 영향을 발생시키고, 0.1 질량％ 이하이면 땜납 하지층과 회로층의 밀착성이 저하될 우려가 있다.
결정성의 산화물 분말의 함유량은 바람직하게는 0.6 질량％ 이상 10 질량％ 이하, 보다 바람직하게는 1.0 질량％ 이상 8.0 질량％ 이하이다. 결정성의 산화물 분말의 함유량이 0.6 질량％ 이상이면, 땜납 침식을 억제할 수 있고, 8.0 질량％ 이하이면 땜납 젖음성에 문제가 없는 땜납 하지층을 얻을 수 있다.
수지의 함유량은 바람직하게는 0.5 질량％ 이상 5.0 질량％ 이하, 보다 바람직하게는 0.8 질량％ 이상 4.0 질량％ 이하이다. 수지의 함유량이 0.5 질량％ 이상이면, 페이스트로서 충분한 인쇄성을 부여할 수 있고, 5.0 질량％ 이하이면 은의 소결을 저해하는 경우가 없다.
용제의 함유량은 바람직하게는 5 질량％ 이상 30 질량％ 이하, 보다 바람직하게는 8 질량％ 이상 28 질량％ 이하이다. 용제의 함유량이 5 질량％ 이상이면, 페이스트로서 충분한 인쇄성을 부여할 수 있고, 28 질량％ 이하이면 은의 소결을 저해하는 경우가 없다.
분산제의 함유량은 바람직하게는 0.5 질량％ 이상 7 질량％ 이하, 보다 바람직하게는 1 질량％ 이상 5 질량％ 이하이다. 분산제의 함유량이 0.5 질량％ 이상이면, 땜납 하지층 페이스트의 열화를 억제할 수 있고, 7 질량％ 이하이면 은의 소결을 저해하는 경우가 없다.
또한, 제 1 실시형태에서는, 땜납 하지층 형성용 페이스트 (도전성 조성물) 의 점도가 10 Pa·s 이상 500 Pa·s 이하, 보다 바람직하게는 50 Pa·s 이상 300 Pa·s 이하로 조정되어 있다.
여기서, 땜납 하지층 형성용 페이스트의 점도의 측정은, 스트레스 제어형 레오미터 (TA 인스트루먼트사 제조 AR1000) 를 사용하여 20 ㎜ 의 패럴렐 플레이트의 측정자를 사용하여 측정하였다. 측정 스테이지의 온도를 25 ℃ 로 하고, 측정 스테이지와 측정자의 갭을 200 ㎛ 로 설정하였다. 측정 대상이 되는 페이스트를 측정 스테이지 상에 10 g 재치(載置) 하고, 측정자를 소정의 갭으로 조정하였다. 이 때, 측정자로부터 비어져 나온 페이스트는 스패튤러를 사용하여 제거한 후 측정을 개시하였다.
은 분말은, 그 평균 입경이 0.05 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 이하로 되어 있고, 제 1 실시형태에서는 평균 입경 0.8 ㎛ 인 것을 사용하였다.
유리 분말은, 예를 들어, 산화납, 산화아연, 산화규소, 산화붕소, 산화인 및 산화비스무트 중 어느 1 종 또는 2 종 이상을 함유하고 있고, 그 연화 온도가 600 ℃ 이하로 되어 있다. 유리 분말의 연화 온도는, 보다 바람직하게는 370 ℃ 이상, 560 ℃ 이하이다.
또, 유리 분말은 필요에 따라, 산화알루미늄, 산화철, 산화구리, 산화셀렌, 산화지르코늄, 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토금속 산화물 등을 함유하고 있어도 된다. 유리 분말은, 유리 덩어리를 볼 밀, 제트 밀 등으로 분쇄하고, 조대 입자를 분급함으로써 얻을 수 있다. 유리 분말의 평균 입경은 특별히 한정되지 않지만, 평균 입경이 0.5 ㎛ 이상, 10.0 ㎛ 이하인 유리 분말을 사용할 수 있다.
또, 은 분말의 중량 A 와 유리 분말의 중량 G 의 중량비 A/G 는, 80/20 내지 99/1 의 범위 내로 조정되어 있고, 보다 바람직하게는 85/15 내지 97/3 의 범위 내로 조정한다. 제 1 실시형태에서는, A/G 가 85/15 로 되어 있다.
또한, 은 분말의 중량 A 와 결정성의 산화물 분말의 중량 O 의 중량비 A/O 는, 90/10 내지 99/1 의 범위 내로 되어 있고, 보다 바람직하게는 95/5 내지 98/2 의 범위 내로 조정한다.
결정성의 산화물 분말은, 예를 들어, 산화티탄, 산화아연, 산화규소의 분말이고, 어느 1 종 또는 2 종 이상의 결정성의 금속 산화물 분말을 선택하면 된다.
결정성의 금속 산화물 분말은, 그 평균 입경이 0.05 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 평균 입경이 0.1 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하여도 된다. 제 1 실시형태에서는, 평균 입경 0.5 ㎛ 인 것을 사용하였다.
또한, 은 분말 및 결정성의 산화물 분말의 평균 입경은, 레이저 회절·산란법에 의해 구한 입도 분포에 있어서의 누적 빈도가 50 ％ 에 달하는 입경 (D50) 을 의미한다.
용제는, 비점이 200 ℃ 이상인 것이 적합하고, 예를 들어, α테르피오넬, 부틸카르비톨아세테이트, 디에틸렌글리콜디부틸에테르 등을 적용할 수 있다. 또한, 제 1 실시형태에서는, α테르피네올을 사용하고 있다.
수지는, 땜납 하지층 형성용 페이스트 (도전성 조성물) 의 점도를 조정하는 것으로, 500 ℃ 이상에서 분해되는 것이 적합하고, 예를 들어, 에틸셀룰로오스, 아크릴 수지, 알키드 수지 등을 적용할 수 있다. 또한, 제 1 실시형태에서는 에틸셀룰로오스를 사용하고 있다.
또, 제 1 실시형태에서는, 디카르복실산계의 분산제를 첨가하고 있다. 또한, 분산제를 첨가하지 않고 땜납 하지층 형성용 페이스트 (도전성 조성물) 를 구성해도 된다. 디카르복실산계의 분산제로는, 예를 들어 CRODA 사 제조 KD-15S 를 사용할 수 있다.
다음으로, 제 1 실시형태에서 사용되는 땜납 하지층 형성용 페이스트의 제조 방법에 대해, 도 4 에 나타내는 플로우도를 참조하여 설명한다.
먼저, 상기 서술한 은 분말과 유리 분말과 결정성의 산화물 분말을 혼합하여 혼합 분말을 생성한다 (혼합 분말 형성 공정 S1). 또, 용제, 수지 및 분산제를 혼합하여 유기 혼합물을 생성한다 (유기물 혼합 공정 S2).
그리고, 혼합 분말 형성 공정 S1 에서 얻어진 혼합 분말과, 유기물 혼합 공정 S2 에서 얻어진 유기 혼합물을 믹서에 의해 예비 혼합한다 (예비 혼합 공정 S3).
이어서, 예비 혼합물을, 복수의 롤을 갖는 롤 밀기를 사용하여 혼련하면서 혼합한다 (혼련 공정 S4).
혼련 공정 S4 에 의해 얻어진 혼련물을, 페이스트 여과기에 의해 여과한다 (여과 공정 S5).
이와 같이 하여, 제 1 실시형태에서 사용하는 땜납 하지층 형성용 페이스트가 제출 (製出) 되게 된다.
제 1 실시형태에서 사용하는 다른 땜납 하지층 형성용 페이스트로는, 용제로서 디에틸렌글리콜디부틸에테르를 사용한 것을 들 수 있다.
이 때, 수지는, 질소 분위기에서 분해되는 아크릴 수지가 가장 바람직하다.
다음으로, 제 1 실시형태에서 사용하는 다른 땜납 하지층 형성용 페이스트의 제조 방법에 대해, 도 8 에 나타내는 플로우도를 참조하여 설명한다.
먼저, 상기 서술한 은 분말과, 유리 분말과, 결정성의 산화물 분말을 혼합하여 혼합 분말을 생성한다 (혼합 분말 형성 공정 S1). 또, 용제와 수지를 혼합하여 유기 혼합물을 생성한다 (유기물 혼합 공정 S2).
그리고, 혼합 분말 형성 공정 S1 에서 얻어진 혼합 분말과, 유기물 혼합 공정 S2 에서 얻어진 유기 혼합물을 믹서에 의해 예비 혼합한다 (예비 혼합 공정 S3).
이어서, 예비 혼합물을, 복수의 롤을 갖는 롤 밀기를 사용하여 혼련하면서 혼합한다 (혼련 공정 S4).
혼련 공정 S4 에 의해 얻어진 혼련물을, 페이스트 여과기에 의해 여과한다 (여과 공정 S5).
이와 같이 하여, 제 1 실시형태에서 사용하는 다른 땜납 하지층 형성용 페이스트가 제출되게 된다.
다음으로, 제 1 실시형태인 파워 모듈의 제조 방법에 대해, 도 5 의 플로우도를 사용하여 설명한다.
먼저, 회로층 (12) 이 되는 알루미늄판 및 금속층 (13) 이 되는 알루미늄판을 준비하고, 이들의 알루미늄판을, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 및 타방의 면에 각각 납재 (蠟材) 를 개재하여 적층하고, 가압·가열 후 냉각시킴으로써, 상기 알루미늄판과 세라믹스 기판 (11) 을 접합한다 (회로층 및 금속층 접합 공정 S11). 또한, 이 납땜의 온도는, 640 ℃ ∼ 650 ℃ 로 설정되어 있다.
다음으로, 금속층 (13) 의 타방의 면에, 상기 서술한 땜납 하지층 형성용 페이스트를 도포한다 (제 1 땜납 하지층 형성용 페이스트 도포 공정 S12). 또한, 땜납 하지층 형성용 페이스트를 도포할 때에는, 스크린 인쇄법, 오프셋 인쇄법, 감광성 프로세스 등의 여러 가지 수단을 채용할 수 있다.
금속층 (13) 의 타방의 면에 땜납 하지층 형성용 페이스트를 도포한 상태에서, 가열로 내에 장입하여 땜납 하지층 형성용 페이스트의 소성을 실시한다 (제 1 소성 공정 S13). 이로써, 제 1 Ag 소성층 (도시하지 않음) 이 형성된다. 또한, 이 때의 소성 온도는, 350 ℃ ∼ 645 ℃, 보다 바람직하게는 450 ℃ ∼ 620 ℃ 로 설정되어 있다.
그리고, 제 1 Ag 소성층의 표면에 땜납재를 개재하여 방열판 (21) 을 적층하고, 환원로 내에 있어서 땜납 접합한다 (방열판 접합 공정 S14).
이로써, 금속층 (13) 과 방열판 (21) 사이에, 제 1 유리층 (41), 결정성의 산화물 입자 (44) 가 분산된 제 1 Ag 층 (42), 제 1 땜납층 (43) 을 갖는 제 1 접합부 (40) 가 형성되고, 제 1 실시형태인 방열판이 형성된 파워 모듈용 기판 (20) 이 제출된다.
다음으로, 방열판 (21) 의 타방의 면측에 냉각기 (31) 를 적층하고, 고정 나사 (22) 에 의해 고정시킨다 (냉각기 적층 공정 S15).
그리고, 회로층 (12) 의 일방의 면에, 상기 서술한 땜납 하지층 형성용 페이스트를 도포한다 (제 2 땜납 하지층 형성용 페이스트 도포 공정 S16). 또한, 땜납 하지층 형성용 페이스트를 도포할 때에는, 스크린 인쇄법, 오프셋 인쇄법, 감광성 프로세스 등의 여러 가지의 수단을 채용할 수 있다. 제 1 실시형태에서는, 스크린 인쇄법에 의해 땜납 하지층 형성용 페이스트를 패턴상으로 형성하였다.
회로층 (12) 의 일방의 면에 땜납 하지층 형성용 페이스트를 도포한 상태에서, 가열로 내에 장입하여 땜납 하지층 형성용 페이스트의 소성을 실시한다 (제 2 소성 공정 S17). 이로써, 제 2 Ag 소성층 (도시하지 않음) 이 형성된다. 또한, 이 때의 소성 온도는 350 ℃ ∼ 645 ℃ 로 설정되어 있다.
그리고, 제 2 Ag 소성층의 표면에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 재치하고, 환원로 내에 있어서 땜납 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S18).
이로써, 회로층 (12) 과 반도체 소자 (3) 사이에, 제 2 유리층 (51), 결정성의 산화물 입자 (54) 가 분산된 제 2 Ag 층 (52), 제 2 땜납층 (53) 을 갖는 제 2 접합부 (50) 가 형성되고, 제 1 실시형태인 파워 모듈 (1) 이 제출된다.
이상과 같은 구성으로 된 제 1 실시형태인 파워 모듈 (1) 에 있어서는, 금속층 (13) 과 방열판 (21) 사이에, 제 1 유리층 (41), 제 1 Ag 층 (42), 제 1 땜납층 (43) 을 갖는 제 1 접합부 (40) 가 형성되어 있고, 회로층 (12) 과 반도체 소자 (3) 사이에, 제 2 유리층 (51), 제 2 Ag 층 (52), 제 2 땜납층 (53) 을 갖는 제 2 접합부 (50) 가 형성되어 있다. 이 제 1 Ag 층 (42) 및 제 2 Ag 층 (52) 에는, 결정성의 산화물 입자 (44, 54) 가 함유되어 있다. 그 때문에, 납땜 공정에 있어서, Ag 가 액상의 땜납 내로 확산되는 것이 억제되어, Ag 층의 형성을 유지할 수 있다. 그리고, 파워 사이클 및 히트 사이클이 부하된 경우여도, 4N 알루미늄으로 이루어지는 금속층 (13) 및 회로층 (12) 의 표면에 기복이나 주름이 발생하는 것이 억제된다. 따라서, 방열판 (21) 과 금속층 (13) 의 접합 신뢰성, 및 반도체 소자 (3) 와 회로층 (12) 의 접합 신뢰성이 향상되고, 방열판 (21) 에 의해 열을 효율적으로 방산시키는 것이 가능해진다.
또, 제 1 실시형태에서는, 결정성의 산화물 입자 (44, 54) 는, 산화티탄, 산화규소, 산화아연 중 어느 1 종 또는 2 종 이상으로 이루어지는 입자로 구성되어 있기 때문에, Ag 가 땜납으로 확산되는 것을 억제하는 효과가 크다.
또, 금속층 (13) 의 타방의 면에 제 1 유리층 (41) 이 형성되고, 회로층 (12) 의 일방의 면에 제 2 유리층 (51) 이 형성되어 있기 때문에, 이들 제 1 유리층 (41) 및 제 2 유리층 (51) 에 의해, 금속층 (13) 및 회로층 (12) 의 표면에 존재하는 산화 피막을 제거할 수 있고, 금속층 (13) 과 방열판 (21), 회로층 (12) 과 반도체 소자 (3) 를 땜납재를 개재하여 확실하게 접합하는 것이 가능해진다. 따라서, 금속층 (13) 및 회로층 (12) 의 표면에 Ni 도금막을 형성할 필요가 없다.
또한, 제 1 실시형태에 있어서는, 반도체 소자 (3) 가 탑재되는 회로층 (12) 의 일방의 면에 형성된 제 2 유리층 (51) 에는, 그 내부에 평균 입경이 수 나노미터 정도인 미세한 도전성 입자가 분산되어 있기 때문에, 제 2 유리층 (51) 에 있어서 도전성이 확보되게 되고, 회로층 (12) 과 반도체 소자 (3) 를 전기적으로 접속할 수 있다.
또한, 이상과 같은 구성으로 된 제 1 실시형태인 땜납 하지층 형성용 페이스트에 의하면, 결정성의 산화물 분말과 은 분말을 구비하고 있고, 소성함으로써, 은 분말이 Ag 층을 형성하고, 또한 결정성의 산화물 입자 (44, 54) 가 상기 Ag 층 내부에 분산된 땜납 하지층을 형성하는 것이 가능해진다. 또, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 에 땜납재를 개재하여 피접합 부재를 접합하는 경우에 있어서, Ag 층 내부에 분산된 결정성의 산화물 입자 (44, 54) 는, 땜납 접합시에, 땜납이 Ag 로 확산되는 것을 억제하여, 제 1 Ag 층 (42), 제 2 Ag 층 (52) 의 형성을 유지하고, 제 1 땜납층 (43), 제 2 땜납층 (53) 에 생기는 크랙을 억제할 수 있다. 그 때문에, 히트 사이클 부하시에 있어서도, Ag 막이 잔존하고 있음으로써 알루미늄의 표면의 소성 변형을 억제할 수 있고, 결과적으로 회로층 (12) 및 금속층 (13) 에 있어서의 기복이나 주름의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
또, 유리 분말과 은 분말을 구비하고 있고, 소성함으로써 생성되는 땜납 하지층이, 유리 분말이 연화되어 형성되는 유리층 (41, 51) 과, 유리층 (41, 51) 에 은 분말이 소결된 Ag 층 (42, 52) 을 구비하고 있기 때문에, 유리층 (41, 51) 이 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 알루미늄 산화 피막과 반응하여 알루미늄 산화 피막을 제거하게 되고, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 표면에 직접 접합된 땜납 하지층을 형성하는 것이 가능해진다. 또, 유리층 (51) 의 내부에 도전성 입자가 분산되어 있으므로, 이 도전성 입자에 의해 도전성이 확보되게 된다.
따라서, 예를 들어, 회로층 (12) 상에 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 접합하는 경우에 있어서, 이 땜납 하지층 형성용 페이스트를 소성하여 얻어지는 땜납 하지층에 의해 회로층 (12) 과 반도체 소자 (3) 를 도통시키는 것이 가능해져, 파워 모듈 (1) 등의 반도체 장치를 구성할 수 있다. 즉, 땜납 하지층 형성용 페이스트를 사용함으로써, 도전성이 양호한 땜납 하지층을 형성하는 것이 가능해진다.
또, 도전성이 양호하기 때문에, 열전달이 우수한 땜납 하지층으로 할 수 있고, 파워 모듈용 기판에서 방열판으로 효율적으로 열을 전달시킬 수 있다.
또, 은 분말의 함유량이 60 질량％ 이상으로 되어 있으므로, 상기 서술한 도전성을 갖는 땜납 하지층을 확실하게 형성할 수 있다. 또, 은 분말의 함유량이 90 질량％ 이하로 되어 있으므로, 유동성이 확보되어, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 에 도포하는 것이 가능해진다.
또, 은 분말의 중량 A 와 유리 분말의 중량 G 의 비 A/G 가, 80/20 내지 99/1 의 범위 내로 설정되어 있으므로, 유리층 (41, 51) 과 Ag 층 (42, 52) 을 확실하게 형성할 수 있다.
또한, 은 분말의 중량 A 와 결정성의 산화물 분말의 중량 O 의 중량비 A/O 에 있어서, 결정성의 산화물 분말의 중량 O 가 90/10 이하로 되어 있으므로, 상기 서술한 땜납 하지층의 저항값을 증대시키는 경우가 없고, 도전성이 양호한 땜납 하지층을 형성할 수 있다. 도전성이 양호하기 때문에, 열전달도 우수한 땜납 하지층으로 할 수 있다. 또, 은 분말의 중량 A 와 결정성의 산화물 분말의 중량 O 의 비 A/O 에 있어서, 결정성의 산화물 분말의 중량 O 가 99/1 이상으로 되어 있으므로, Ag 층 (42, 52) 중에 분산된 결정성의 산화물 입자 (44, 54) 에 의해, Ag 가 땜납으로 확산되는 것을 억제할 수 있다.
또, 결정성의 산화물 분말은, 산화티탄, 산화규소, 산화아연에서 선택되기 때문에, 땜납과 접합된 Ag 층 중에 분산되면, Ag 가 땜납 내부로 확산되는 것을 억제할 수 있다.
또, 유리 분말의 연화 온도가 600 ℃ 이하로 되어 있으므로, 비교적 저온에서 이 땜납 하지층 형성용 페이스트를 소성해도 유리가 유동될 수 있기 때문에, 땜납 하지층을 형성하는 것이 가능해지고, 땜납 하지층 형성용 페이스트를 소성할 때에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 열화되는 것을 방지할 수 있다.
또, 유리 분말이, 산화납, 산화아연, 산화규소, 산화붕소, 산화인 및, 산화비스무트 중 어느 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것으로 되어 있으므로, 그 연화 온도가 비교적 낮아져, 소성 온도를 낮게 설정할 수 있다. 또, 결정화 온도가 비교적 높아져, 땜납 하지층 형성용 페이스트 내부에서의 유동성이 확보되고, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 과의 밀착성을 향상시킬 수 있다.
또한, 은 분말의 입경이, 0.05 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 이하로 되어 있으므로, 이 땜납 하지층 형성용 페이스트를 회로층 (12) 및 금속층 (13) 에 도포했을 때에, 도전성 입자가 균일하게 분산되게 되고, 이 땜납 하지층 형성용 페이스트를 소성함으로써 도전성을 갖는 땜납 하지층을 균일하게 형성하는 것이 가능해진다.
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈 (101) 및 냉각기가 형성된 파워 모듈용 기판 (130) 에 대해, 도 6, 도 7 을 참조하여 설명한다. 또한, 이 제 2 실시형태에서는, 히트 싱크로서 냉각기 (131) 를 사용하였다.
이 파워 모듈 (101) 은, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (110) 과, 회로층 (112) 의 일방의 면 (도 6 에 있어서 상면) 에 탑재된 반도체 소자 (103) 와, 파워 모듈용 기판 (110) 의 타방의 면측에 적층된 냉각기 (131) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (110) 은, 절연층을 구성하는 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) 과, 금속층 (113) 의 타방의 면측에 배치 형성된 완충층 (115) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (111) 은, 회로층 (112) 과 금속층 (113) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다.
회로층 (112) 및 금속층 (113) 은, 세라믹스 기판 (111) 에 도전성을 갖는 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다.
제 2 실시형태에 있어서는, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 알루미늄판이 세라믹스 기판 (111) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
완충층 (115) 은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 구리 또는 구리 합금 또는 알루미늄을 함유하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 구성되어 있다.
냉각기 (131) 는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 냉각 매체 (예를 들어 냉각수) 를 유통시키기 위한 유로 (132) 를 구비하고 있다. 냉각기 (131) 는, 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 제 2 실시형태에 있어서는, A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
그리고, 도 7 에 나타내는 바와 같이, A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되는 냉각기 (131) 와 완충층 (115) 사이의 제 1 접합부 (140) 에 있어서는, 냉각기 (131) 의 일방의 면에 형성된 제 1 유리층 (141) 과, 이 제 1 유리층 (141) 에 적층된 제 1 Ag 층 (142) 과, 이 제 1 Ag 층 (142) 에 적층된 제 1 땜납층 (143) 을 구비하고 있다. 여기서, 제 1 Ag 층 (142) 에는, 결정성의 산화물 입자 (144) 가 분산되어 있다. 제 1 Ag 층 (142) 은, 제 1 실시형태와 동일한 땜납 하지층 형성용 페이스트를 사용하여 형성할 수 있다.
이상과 같은 구성으로 된 제 2 실시형태인 파워 모듈 (101) 및 냉각기가 형성된 파워 모듈용 기판 (130) 에 있어서는, 알루미늄 합금으로 이루어지는 냉각기 (131) 와 파워 모듈용 기판 (110) 의 완충층 (115) 사이에, 제 1 유리층 (141), 제 1 Ag 층 (142), 제 1 땜납층 (143) 을 갖는 제 1 접합부 (140) 가 형성되어 있다. 또한, 제 1 Ag 층 (142) 에는, 결정성의 산화물 입자 (144) 가 분산되어 있으므로, 땜납 접합시에 있어서, Ag 가 땜납 내로 확산되는 것이 억제된다. 그 결과, 알루미늄 합금으로 이루어지는 냉각기 (131) 의 표면에 기복이나 주름이 발생하는 것이 억제된다. 따라서, 냉각기 (131) 와 파워 모듈용 기판 (110) 의 접합 신뢰성이 향상되고, 냉각기 (131) 에 의해 파워 모듈용 기판 (110) 을 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 각 실시형태에 대해 설명했는데, 본 발명은 이것에 한정되지는 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경할 수 있다.
예를 들어, 파워 모듈에 사용되는 땜납 접합 구조를 예를 들어 설명했는데, 이것에 한정되지는 않고, 알루미늄 부재 (전극 부재) 와 피접합 부재를 땜납 접합하는 것이면, 용도에 한정은 없다. 특히, LED 소자, 펠티에 소자 등의 파워 사이클 또는 히트 사이클이 발생하는 소자와의 접합 부재에 적합하다.
또, 히트 싱크로서 방열판 및 냉각기를 사용하여 설명했는데, 이것에 한정되는 것이 아니며, 핀이 형성된 공랭, 액랭 방열기, 히트 파이프 등이어도 된다.
또, 본 발명의 각 실시형태에서는, 회로층 및 금속층을 구성하는 금속판을 순도 99.99 ％ 의 순알루미늄의 압연판으로 하여 설명했는데, 이것에 한정되지는 않고, 순도 99 ％ 의 알루미늄 (2N 알루미늄) 이어도 된다.
또한, 절연층으로서 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판을 사용한 것으로 하여 설명했는데, 이것에 한정되지는 않고, Si3N4 나 Al2O3 등으로 이루어지는 세라믹스 기판을 사용해도 되고, 절연 수지에 의해 절연층을 구성해도 된다.
또, 회로층 및 금속층을 구성하는 금속판은, 다른 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 부재로 되어 있어도 되고, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재로 되어 있어도 되고, 다른 금속으로 이루어지는 금속 부재여도 된다.
또, 제 1 실시형태에서는, 금속층을 방열판에 접합하는 경우에 대해 설명했는데, 이것에 한정되는 것이 아니며, 냉각기, 핀이 형성된 공랭, 액랭 방열기, 히트 파이프 등의 히트 싱크에 접합하는 구성으로 해도 된다.
또한, 절연층으로서 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판을 사용한 것으로 하여 설명했는데, 이것에 한정되지는 않고, Si3N4 나 Al2O3 등으로 이루어지는 세라믹스 기판을 사용해도 되고, 절연 수지에 의해 절연층을 구성해도 된다.
또, 땜납 하지층 형성용 페이스트의 원료, 배합량에 대해서는, 각 실시형태에 기재된 것에 한정되지는 않고, 다른 유리 분말, 수지, 용제, 분산제를 사용해도 된다. 연화 온도가 금속 부재 (알루미늄 등) 의 융점 이하, 보다 바람직하게는 600 ℃ 이하로 되어 있으면 된다.
또, 수지로는, 아크릴 수지, 알키드 수지 등을 사용해도 된다. 또한, 용제로는, α-테르피네올, 부틸카르비톨아세테이트, 디에틸렌글리콜디부틸에테르 등을 사용해도 된다.
실시예
이하에, 본 발명의 효과를 확인하기 위하여 실시한 확인 실험의 결과에 대해 설명한다.
순도 99.99 ％ 이상의 알루미늄판으로 이루어지는 회로층 상에, 표 1 및 2 에 나타내는 조성의 땜납 하지층 형성용 페이스트를 소성하여 이루어지는 소성층을 형성하고, 이 소성층 상에 Sn-Ag-Cu 계 무연 땜납을 사용하여, 환원로 내에 있어서 반도체 소자를 접합하였다. 표 1 및 2 의 A/G 는, (은 분말의 중량)/(유리 분말의 중량), A/O 는, (은 분말의 중량)/(결정성의 산화물 분말의 중량) 을 의미하고 있다. 또한, 땜납 하지층 형성용 페이스트의 도포 두께를 10 ㎛ 로 하였다. 또, 소성 온도를 575 ℃, 소성 시간을 10 분으로 하였다. 이로써, 소성층의 두께는 약 8 ㎛, 유리층의 두께가 약 1 ㎛ 인 Ag 소성층 (땜납 하지층) 을 얻었다.
또한, 유리 분말로는, 실시예 1 ∼ 실시예 6 에서는 무연의 Bi2O3-ZnO-B2O3 계 (유리 전이 온도 : 352 ℃, 연화 온도 402 ℃) 의 유리 프릿을 사용하였다.
실시예 7 ∼ 실시예 15 및 비교예 1 ∼ 비교예 2 에서는, 유리 분말로서 표 2 에 기재된 연화 온도를 갖는 무연의 Bi2O3-ZnO-B2O3 계의 유리 프릿을 사용하였다.
또한, 세라믹스 기판은 AlN 으로 구성되고, 30 ㎜ × 20 ㎜, 두께 0.6 ㎜ 인 것을 사용하였다.
또, 회로층 및 금속층은, 4N 알루미늄으로 구성되고, 13 ㎜ × 10 ㎜, 두께 0.6 ㎜ 인 것을 사용하였다.
반도체 소자는, IGBT 소자 (히터 칩) 로 하고, 12.5 ㎜ × 9.5 ㎜, 두께 0.25 ㎜ 인 것을 사용하였다.
(파워 사이클 시험)
상기 서술한 바와 같이 하여 얻어진 시험편의 IGBT 소자 (히터 칩) 에, 15 V, 150 A 의 통전 조건으로, 통전 온을 2 초, 통전 오프 (냉각 시간) 를 8 초의 조건으로 통전을 반복 실시하고, IGBT 소자 (히터 칩) 의 온도를 30 ℃ 내지 130 ℃ 의 범위에서 변화시켰다. 이 파워 사이클을 10 만회 실시하였다.
(Ag 층의 잔존부의 비율 평가)
파워 사이클 시험 후에, 시험편을 다이아몬드 소로 절단하고, 단면을 수지 매립하여 연마를 실시하고, EPMA 에 의한 원소 분석 (매핑) 을 실시하였다. 땜납 접합부의 단면을 EPMA 로 분석함으로써, 땜납층, Ag 침식층, Ag 층 잔존부로 분류하고, Ag 층 잔존부/Ag 층 전체의 단면적 비율을 평가하였다. 또한, Ag 층 전체란, 땜납 접합 전의 땜납 하지층 형성용 페이스트를 소성했을 때의 Ag 층의 전체 단면적이다.
(열저항 측정)
파워 사이클 시험시의 초기 열저항과 시험 후의 열저항을 측정하였다. 열저항 측정은, 다음과 같이 실시하였다. IGBT 소자 (히터 칩) 를 100 W 의 전력으로 가열하고, 열전쌍을 사용하여 IGBT 소자 (히터 칩) 의 온도를 측정하였다. 또, 냉각기 (히트 싱크) 를 유통하는 냉각 매체 (에틸렌글리콜 : 물 ＝ 9 : 1) 의 온도를 실측하였다. 그리고, 히터 칩의 온도와 냉각 매체의 온도차를 전력으로 나눈 값을 열저항으로 하고, 초기 열저항에 대한 파워 사이클 시험 후의 열저항의 상승률을 산출하였다.
(Ag 층 중에 있어서의 결정성의 산화물 입자의 확인)
결정성의 산화물 입자는, 유리 프릿과 같이 열처리시에 유동하지 않고, 또한 다른 물질과 그다지 반응하지 않기 때문에, 첨가한 채의 상태로 Ag 막 중에 존재한다. 그 때문에 산화물 입자는, SEM 과 같은 단면 관찰 수법에 의해 확인할 수 있다. 또, EDS 나 EPMA 와 같은 분석 수법을 사용하는 것에 의해서도 산화물의 종류를 동정할 수 있다.
Figure pct00001
표 1 에 나타내는 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 6 에 있어서는, Ag 층의 내부에 결정성의 산화물 입자가 분산되어 있다. 그 때문에, 땜납 접합 공정 후에 있어서 Ag 잔존부가 충분히 존재하여, 파워 사이클 후의 열저항률의 상승률이 작아, 회로층 및 금속층과 세라믹스 기판과의 접합 신뢰성이 높다.
한편, 비교예 1 및 비교예 2 에 있어서는, Ag 층이 결정성의 산화물 입자를 함유하지 않기 때문에, Ag 잔존부가 감소하여, 파워 사이클 후의 열저항의 상승률이 커졌기 때문에, 접합 신뢰성이 실시예와 비교하여 떨어졌다.
Figure pct00002
표 2 에 나타내는 바와 같이, 실시예 7 내지 실시예 15 에 있어서는, 결정성의 산화물 분말이 함유되어 있기 때문에, 파워 사이클 시험 후의 Ag 잔존부가 많아, 열저항률의 상승률이 작아져 있어, 회로층 및 금속층과 세라믹스 기판의 접합 신뢰성이 높다. 실시예 7 내지 실시예 12 는, A (은 분말의 중량) /O (결정성의 산화물 분말의 중량) 이 90/10 내지 99/1 의 범위 내로 되어 있어, 실시예 13 내지 실시예 15 와 비교하여, 열저항률의 상승률이 작아, 접합 신뢰성이 높은 것을 알 수 있다.
한편, 비교예 1 및 비교예 2 에 있어서는, 결정성의 산화물 입자를 함유하지 않기 때문에, 파워 사이클 후의 열저항률의 상승률이 커졌기 때문에, 접합 신뢰성이 실시예 7 내지 실시예 15 와 비교하여 떨어졌다.
1 : 파워 모듈
3 : 반도체 소자 (피접합 부재)
10 : 파워 모듈용 기판
11 : 세라믹스 기판 (절연층)
12 : 회로층 (알루미늄 부재, 금속 부재)
13 : 금속층 (알루미늄 부재, 금속 부재)
20 : 방열판이 형성된 파워 모듈용 기판 (히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판)
21 : 방열판 (피접합 부재, 히트 싱크)
40 : 제 1 접합부 (땜납 접합 구조)
41 : 제 1 유리층 (유리층)
42 : 제 1 Ag 층 (Ag 층)
43 : 제 1 땜납층 (땜납층)
44 : 결정성의 산화물 입자
50 : 제 2 접합부 (땜납 접합 구조)
51 : 제 2 유리층 (유리층)
52 : 제 2 Ag 층 (Ag 층)
53 : 제 2 땜납층 (땜납층)
54 : 결정성의 산화물 입자
101 : 파워 모듈
110 : 파워 모듈용 기판
115 : 완충층 (피접합 부재)
130 : 냉각기가 형성된 파워 모듈용 기판 (히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판)
131 : 냉각기 (알루미늄 부재, 히트 싱크)
140 : 제 1 접합부 (땜납 접합 구조)
141 : 제 1 유리층 (유리층)
142 : 제 1 Ag 층 (Ag 층)
143 : 제 1 땜납층 (땜납층)
144 : 결정성의 산화물 입자

Claims (14)

  1. 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 부재와, 피접합 부재를 땜납재를 사용하여 접합하는 땜납 접합 구조로서,
    상기 알루미늄 부재의 표면에 형성된 유리층과, 이 유리층에 적층된 Ag 층과, 상기 Ag 층에 적층된 땜납층을 구비하고 있고,
    상기 Ag 층에는, 결정성의 산화물 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 땜납 접합 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정성의 산화물 입자는, 산화티탄, 산화규소, 산화아연 중 어느 1 종 또는 2 종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 땜납 접합 구조.
  3. 절연층의 일방의 면에 상기 알루미늄 부재로 이루어지는 회로층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판과, 상기 회로층의 일방의 면에 접합된 반도체 소자를 구비한 파워 모듈로서,
    상기 회로층과 상기 반도체 소자의 접합부가 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 땜납 접합 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  4. 절연층의 일방의 면에 회로층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판과, 이 파워 모듈용 기판의 타방의 면측에 접합된 히트 싱크를 구비한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판으로서,
    상기 히트 싱크의 접합면 및 상기 파워 모듈용 기판의 접합면 중 적어도 일방은, 상기 알루미늄 부재로 구성되어 있고,
    상기 히트 싱크와 상기 파워 모듈용 기판의 접합부가 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 땜납 접합 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판.
  5. 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 부재와, 피접합 부재를 땜납재를 사용하여 접합하는 땜납 접합 구조의 제조 방법으로서,
    상기 알루미늄 부재의 표면에 유리 및 결정성의 산화물 입자를 함유하는 땜납 하지층 형성용 페이스트를 도포하는 도포 공정과, 상기 땜납 하지층 형성용 페이스트를 도포한 상태에서 가열 처리하여 상기 땜납 하지층 형성용 페이스트를 소성하는 소성 공정과, 상기 땜납 하지층 형성용 페이스트의 소성체로 이루어지는 Ag 소성층의 표면에 땜납재를 개재하여 상기 피접합 부재를 땜납 접합하는 땜납 접합 공정을 구비하고,
    상기 Ag 소성층에는, 결정성의 산화물 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 땜납 접합 구조의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 결정성의 산화물 입자는, 산화티탄, 산화규소, 산화아연 중 어느 1 종 또는 2 종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 땜납 접합 구조의 제조 방법.
  7. 절연층의 일방의 면에 상기 알루미늄 부재로 이루어지는 회로층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판과, 상기 회로층의 일방의 면에 접합된 반도체 소자를 구비하고, 상기 회로층과 상기 반도체 소자를 땜납 접합부로 하는 파워 모듈의 제조 방법으로서,
    상기 땜납 접합부를 제 5 항 또는 제 6 항에 기재된 땜납 접합 구조의 제조 방법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈의 제조 방법.
  8. 절연층의 일방의 면에 회로층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판과, 이 파워 모듈용 기판의 타방의 면측에 접합된 히트 싱크를 구비하고, 상기 히트 싱크의 접합면 및 상기 파워 모듈용 기판의 접합면 중 적어도 일방은, 상기 알루미늄 부재로 구성되어 있고, 상기 히트 싱크와 상기 파워 모듈용 기판이 땜납 접합부로 하는 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 땜납 접합부를 제 5 항 또는 제 6 항에 기재된 땜납 접합 구조의 제조 방법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  9. 금속 부재 상에 배치 형성되고, 소성됨으로써, 상기 금속 부재 상에 땜납 하지층을 형성하는 땜납 하지층 형성용 페이스트로서,
    은 분말과, 유리 분말과, 결정성의 산화물 분말과, 수지와, 용제를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 땜납 하지층 형성용 페이스트.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 은 분말의 함유량이, 60 질량％ 이상 90 질량％ 이하로 되고,
    상기 유리 분말은, 상기 은 분말의 중량 A 와 상기 유리 분말의 중량 G 의 비 A/G 가, 80/20 내지 99/1 의 범위 내로 설정되고,
    상기 결정성의 산화물 분말은, 상기 은 분말의 중량 A 와 상기 결정성의 산화물 분말의 중량 O 의 비 A/O 가, 90/10 내지 99/1 의 범위 내로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 땜납 하지층 형성용 페이스트.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 결정성의 산화물 분말이, 산화티탄, 산화규소, 산화아연 중 어느 1 종 또는 2 종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 땜납 하지층 형성용 페이스트.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리 분말의 연화 온도가 600 ℃ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하는 땜납 하지층 형성용 페이스트.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리 분말이, 산화납, 산화아연, 산화규소, 산화붕소, 산화인 및, 산화비스무트 중 어느 1 종 또는 2 종 이상을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 땜납 하지층 형성용 페이스트.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 은 분말의 입경이, 0.05 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하는 땜납 하지층 형성용 페이스트.
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