KR101709370B1 - 파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 - Google Patents

파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 Download PDF

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히로시 도노무라
노부유키 데라사키
요시로우 구로미츠
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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 표면에 적층되어 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속판을 구비한 파워 모듈용 기판으로서, 상기 금속판에는, Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있고, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에서의 Ag 농도가 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하, 또는 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에서의 Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 의 농도의 합계가 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하로 되어 있다.

Description

파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법{SUBSTRATE FOR POWER MODULE, SUBSTRATE WITH HEAT SINK FOR POWER MODULE, POWER MODULE, METHOD FOR PRODUCING SUBSTRATE FOR POWER MODULE, AND METHOD FOR PRODUCING SUBSTRATE WITH HEAT SINK FOR POWER MODULE}
본 발명은, 대전류, 고전압을 제어하는 반도체 장치에 사용되는 파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈용 기판을 구비한 파워 모듈, 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은, 2009년 10월 22일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2009-243259호, 2010년 3월 2일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2010-045747호, 2010년 4월 12일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2010-091366호, 2010년 9월 28일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2010-217590호 및 일본 특허출원 2010-217591호에 기초하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.
반도체 소자 중에서도 전력 공급을 위한 파워 소자는 발열량이 비교적 높다. 이 파워 소자를 탑재하는 기판으로는, 예를 들어 특허문헌 1 에 나타내는 바와 같이, AlN (질화알루미늄) 으로 이루어지는 세라믹스 기판 상에 Al (알루미늄) 의 금속판이 납재를 개재하여 접합된 파워 모듈용 기판이 사용된다.
또, 이 금속판은 회로층이 되고, 그 금속판 위에는, 땜납재를 개재하여 파워 소자 (반도체 소자) 가 탑재된다.
또한, 세라믹스 기판의 하면에 Al 등의 금속판이 접합되어 금속층이 되고, 이 금속층에 히트싱크를 접합한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판이 제안되어 있다.
또, 회로층을 형성하는 수단으로는, 세라믹스 기판에 금속판을 접합한 후에, 이 금속판에 회로 패턴을 형성하는 방법이 있다. 또, 예를 들어 특허문헌 2 에 개시되어 있는 바와 같이, 미리 회로 패턴상(狀)으로 형성된 금속편을 세라믹스 기판에 접합하는 방법이 있다.
여기서, 상기 금속판과 세라믹스 기판의 양호한 접합 강도를 얻기 위해, 예를 들어 특허문헌 3 에, 세라믹스 기판의 표면 조도를 0.5 ㎛ 미만으로 하는 것이 개시되어 있다.
그러나, 금속판을 세라믹스 기판에 접합하는 경우, 단순히 세라믹스 기판의 표면 조도를 저감해도 충분히 높은 접합 강도가 얻어지지 않아, 신뢰성의 향상이 도모되지 않는다는 문제가 있었다. 예를 들어, 세라믹스 기판의 표면에 대해, 건식으로 Al2O3 입자에 의한 호닝 처리를 실시하여, 표면 조도를 Ra = 0.2 ㎛ 로 해도, 박리 시험에 의해 계면 박리가 생겨버리는 경우가 있었다. 또, 연마법에 의해 표면 조도를 Ra = 0.1 ㎛ 이하로 해도, 계면 박리가 생겨버리는 경우가 있었다.
특히, 최근에는, 파워 모듈의 소형화·박육화가 진행됨과 함께, 그 사용 환경도 엄격해지고 있다. 또, 탑재되는 반도체 소자 등의 전자 부품으로부터의 발열량이 커지는 경향이 있어, 히트싱크 상에 파워 모듈용 기판을 배치 형성할 필요가 있다. 이 경우, 파워 모듈용 기판이 히트싱크에 의해 구속되기 때문에, 열사이클 부하시에, 금속판과 세라믹스 기판의 접합 계면에 큰 전단력이 작용한다. 이 때문에, 종래보다 더, 세라믹스 기판과 금속판 사이의 접합 강도의 향상 및 신뢰성의 향상이 요구되고 있다.
일본 공개특허공보 2003-086744호 일본 공개특허공보 2008-311294호 일본 공개특허공보 평3-234045호
본 발명의 파워 모듈용 기판의 일 양태는, 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 표면에 적층되어 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속판을 구비한 파워 모듈용 기판으로서, 상기 금속판에는, Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있고, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에서의 Ag 농도가 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하, 또는 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에서의 Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 의 농도의 합계가 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하로 되어 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 금속판의 접합 계면측 부분이 고용 강화되게 된다. 이로써, 금속판 부분에서의 파단을 방지할 수 있어, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에서의 Ag 농도가 0.05 질량％ 이상, 또는 Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 의 농도의 합계가 0.01 질량％ 이상으로 되어 있으므로, 금속판의 접합 계면측 부분을 확실하게 고용 강화시킬 수 있다. 또, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에서의 Ag 농도가 10 질량％ 이하, 또는 Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 의 농도의 합계가 5 질량％ 이하로 되어 있으므로, 금속판의 접합 계면의 강도가 과잉하게 높아지는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 파워 모듈용 기판에 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 열응력을 금속판에서 흡수하는 것이 가능해져, 세라믹스 기판의 균열 등을 방지할 수 있다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 일 양태에 있어서, 상기 금속판에는, Ag 에 추가로, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소가 고용되어 있고, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에서의 Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 의 농도의 합계가 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하로 되어 있어도 된다.
이 경우, 금속판의 접합 계면측 부분이 확실하게 고용 강화된다. 따라서, 금속판 부분에서의 파단을 방지할 수 있어, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에서의 Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 의 농도의 합계가 0.05 질량％ 이상으로 되어 있으므로, 금속판의 접합 계면측 부분을 확실하게 고용 강화시킬 수 있다. 또, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에서의 Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 의 농도의 합계가 10 질량％ 이하로 되어 있으므로, 금속판의 접합 계면의 강도가 과잉하게 높아지는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 일 양태에 있어서, 상기 세라믹스 기판이 AlN 또는 Si3N4 로 구성되어 있고, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에, 산소 농도가 상기 금속판 중 및 상기 세라믹스 기판 중의 산소 농도보다 높게 된 산소 고농도부가 형성되어 있고, 이 산소 고농도부의 두께가 4 ㎚ 이하로 되어 있어도 된다. 또한, 첨가 원소가 Ag 인 경우에는, 상기 산소 고농도부가 상기 세라믹 기판의 결정립 내의 산소 농도의 2 배 이상으로 되어 있다.
이 경우, 접합 계면에 존재하는 산소에 의해 AlN 또는 Si3N4 로 이루어지는 세라믹스 기판과 알루미늄으로 이루어지는 금속판의 접합 강도가 향상된다. 또한, 이 산소 고농도부의 두께가 4 ㎚ 이하로 되어 있으므로, 열사이클을 부하했을 때의 응력에 의해 산소 고농도부에 크랙이 발생하는 것이 억제된다.
또한, 여기서, 상기 세라믹스 기판의 결정립 내의 산소 농도란, 세라믹스 기판 중 접합 계면으로부터 일정 거리 (예를 들어, 5 ㎚ 이상) 떨어진 부분에 있어서의 산소 농도이다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 일 양태에 있어서, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에는, 상기 첨가 원소의 농도가 상기 금속판 중의 상기 첨가 원소의 농도의 2 배 이상이 된 첨가 원소 고농도부가 형성되어 있어도 된다.
이 경우, 계면 근방에 존재하는 상기 첨가 원소 원자에 의해, 세라믹스 기판과 금속판의 접합 강도의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.
또한, 금속판 중의 상기 첨가 원소의 농도란, 금속판 중 접합 계면으로부터 일정 거리 (예를 들어, 5 ㎚ 이상) 떨어진 부분에 있어서의 상기 첨가 원소의 농도이다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 일 양태에 있어서, 상기 세라믹스 기판이 AlN 으로 구성되어 있고, 상기 첨가 원소 고농도부를 포함하는 상기 접합 계면을 에너지 분산형 X 선 분석법으로 분석한 Al, 상기 첨가 원소, O, N 의 질량비가, Al : 첨가 원소 : O : N = 50 ∼ 90 질량％ : 1 ∼ 30 질량％ : 1 ∼ 10 질량％ : 25 질량％ 이하로 되어 있어도 된다.
혹은, 본 발명의 파워 모듈용 기판의 일 양태에 있어서, 상기 세라믹스 기판이 Si3N4 로 구성되어 있고, 상기 첨가 원소 고농도부를 포함하는 상기 접합 계면을 에너지 분산형 X 선 분석법으로 분석한 Al, Si, 상기 첨가 원소, O, N 의 질량비가, Al : Si : 첨가 원소 : O : N = 15 ∼ 45 질량％ : 15 ∼ 45 질량％ : 1 ∼ 30 질량％ : 1 ∼ 10 질량％ : 25 질량％ 이하로 되어 있어도 된다.
또, 본 발명의 파워 모듈용 기판의 일 양태에 있어서, 상기 세라믹스 기판이 Al2O3 으로 구성되어 있고, 상기 첨가 원소 고농도부를 포함하는 상기 접합 계면을 에너지 분산형 X 선 분석법으로 분석한 Al, 상기 첨가 원소, O 의 질량비가, Al : 첨가 원소 : O = 50 ∼ 90 질량％ : 1 ∼ 30 질량％ : 45 질량％ 이하로 되어 있어도 된다.
접합 계면에 존재하는 상기 첨가 원소 원자의 질량비가 30 질량％ 를 초과하면, Al 과 첨가 원소의 반응물이 과잉하게 생성되어, 이 반응물이 접합을 저해시킬 우려가 있다. 또, 이 반응물에 의해 금속판의 접합 계면 근방이 필요 이상으로 강화되어 열사이클 부하시에 세라믹스 기판에 응력이 작용하여, 세라믹스 기판이 균열되어 버릴 우려가 있다. 한편, 상기 첨가 원소 원자의 질량비가 1 질량％ 미만이면, 첨가 원소 원자에 의한 접합 강도의 향상을 충분히 도모할 수 없게 될 우려가 있다. 따라서, 접합 계면에 있어서의 첨가 원소 원자의 질량비는, 1 ∼ 30 질량％ 의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
여기서, 에너지 분산형 X 선 분석법에 의한 분석을 실시하는 경우, 스폿 직경이 매우 작기 때문에, 상기 접합 계면의 복수점 (예를 들어, 10 ∼ 100 점) 에서 측정하여, 그 평균값을 산출한다. 또, 측정할 때에는, 금속판의 결정립계와 세라믹스 기판의 접합 계면은 측정 대상으로 하지 않고, 결정립과 세라믹스 기판의 접합 계면만을 측정 대상으로 한다.
또한, 본 명세서 중에 있어서의 에너지 분산형 X 선 분석법에 의한 분석값은, 니혼 전자 제조의 전자 현미경 JEM-2010F 에 탑재한 서모피셔사이언티픽 주식회사 제조의 에너지 분산형 형광 X 선 원소 분석 장치 NORAN System 7 을 사용하여 가속 전압 200 kV 로 실시하였다.
본 발명의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 일 양태는, 상기 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 표면에 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 1 금속판과, 상기 세라믹스 기판의 타방의 표면에 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 2 금속판과, 상기 제 2 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 접합면과는 반대측의 면에 접합된 히트싱크를 갖는다. 그리고, 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크에는, Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있다. 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크의 계면 근방에서의 Ag 농도가 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하, 또는 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크의 계면 근방에서의 Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 의 농도의 합계가 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하로 되어 있다.
이 구성의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 의하면, 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크에, Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있으므로, 제 2 금속판 및 히트싱크의 각각의 접합 계면측 부분이 고용 강화되게 된다.
그리고, 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크의 접합 계면 근방에서의 Ag 농도가 0.05 질량％ 이상, 또는 Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 의 농도의 합계가 0.01 질량％ 이상으로 되어 있으므로, 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크의 접합 계면측 부분을 확실하게 고용 강화시킬 수 있다. 또, 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크의 접합 계면 근방에서의 Ag 농도가 10 질량％ 이하, 또는 Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 의 농도의 합계가 5 질량％ 이하로 되어 있으므로, 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크의 접합 계면의 강도가 과잉하게 높아지는 것을 방지할 수 있어, 열 변형을 상기 제 2 금속판에서 흡수할 수 있다.
본 발명의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 일 양태에 있어서, 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크에는, Ag 에 추가로, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소가 고용되어 있고, 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크의 계면 근방에서의 Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 의 농도의 합계가 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하로 되어 있어도 된다.
이 경우, 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크의 접합 계면측 부분이 고용 강화되어, 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크에 있어서의 파단의 발생을 방지할 수 있어, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크의 계면 근방에서의 Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 의 농도의 합계가 0.05 질량％ 이상으로 되어 있으므로, 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크의 계면측 부분을 확실하게 고용 강화시킬 수 있다. 또, 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크의 계면 근방에서의 Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 의 농도의 합계가 10 질량％ 이하로 되어 있으므로, 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크의 접합 계면의 강도가 과잉하게 높아지는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 파워 모듈의 일 양태는, 본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판과, 이 파워 모듈용 기판 상에 탑재된 전자 부품을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 파워 모듈에 의하면, 세라믹스 기판과 금속판의 접합 강도가 높아, 사용 환경이 엄격한 경우에도, 그 신뢰성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 일 양태는, 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 표면에 적층되어 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속판을 구비한 파워 모듈용 기판의 제조 방법이다. 이 제조 방법은, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에, Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시키고, 이 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성하는 고착 공정과, 상기 고착층을 개재하여 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 적층하는 적층 공정과, 적층된 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 적층 방향으로 가압함과 함께 가열하여, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 형성하는 가열 공정과, 이 용융 금속 영역을 응고시키는 것에 의해, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 접합하는 응고 공정을 갖는다. 그리고, 상기 적층 공정에 있어서는, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에, 상기 첨가 원소를 0.01 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하의 범위 내에서 개재시킨다. 상기 가열 공정에 있어서는, 상기 첨가 원소를 상기 금속판을 향하여 확산시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 상기 용융 금속 영역을 형성한다.
이 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에, Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 개재된다. 여기서, Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 와 같은 원소는, 알루미늄의 융점을 강하시키는 원소이기 때문에, 비교적 저온인 조건에서도, 금속판과 세라믹스 기판의 계면에 용융 금속 영역을 형성할 수 있다.
따라서, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건으로 접합해도, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합하는 것이 가능해진다.
또, 납재박 등을 사용할 필요가 없어, 저비용으로, 금속판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합된 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.
납재박을 사용하지 않고, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 접합 가능하기 때문에, 납재박의 위치 맞춤 작업 등을 실시할 필요가 없다. 따라서, 예를 들어, 미리 회로 패턴 상태에 형성된 금속편을 세라믹스 기판에 접합하는 경우에도, 위치 어긋남 등에 의한 트러블을 미연에 방지할 수 있다.
또, 상기 적층 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 개재되는 상기 첨가 원소의 고착량을 0.01 ㎎/㎠ 이상으로 하고 있으므로, 세라믹스 기판과 금속판의 계면에, 용융 금속 영역을 확실하게 형성할 수 있어, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 개재되는 상기 첨가 원소의 고착량을 10 ㎎/㎠ 이하로 하고 있으므로, 고착층에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있어, 세라믹스 기판과 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 확실하게 형성할 수 있다. 또한, 상기 첨가 원소가 과잉하게 금속판측으로 확산되어 계면 근방의 금속판의 강도가 과잉하게 높아지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 파워 모듈용 기판에 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 열응력을 금속판에서 흡수할 수 있어, 세라믹스 기판의 균열 등을 방지할 수 있다.
또한, 상기 적층 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에, 상기 첨가 원소를 0.01 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하의 범위 내에서 개재시키고 있으므로, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에서의 Ag 농도가 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하, 또는 Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 의 농도의 합계가 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하로 된 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.
게다가, 금속판 및 세라믹스 기판에 직접 고착층을 형성하고 있으므로, 산화 피막은, 금속판의 표면에만 형성되게 된다. 그러면, 양면에 산화 피막이 형성된 납재박을 사용한 경우에 비해, 금속판 및 세라믹스 기판의 계면에 존재하는 산화 피막의 합계 두께가 얇아지기 때문에, 초기 접합의 수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에, 직접, 상기 첨가 원소를 고착시키는 구성으로 하고 있는데, 생산성의 관점에서, 금속판의 접합면에 상기 첨가 원소를 고착시키는 것이 바람직하다.
또, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에, 상기 첨가 원소를 각각 단독으로 고착시켜 복수의 첨가 원소층을 형성해도 된다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 일 양태에 있어서, 상기 고착 공정에서는, 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시켜도 된다.
이 경우, 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시키고 있으므로, 형성되는 고착층이 Al 을 함유한다. 따라서, 가열 공정에 있어서, 이 고착층이 우선적으로 용융되어 용융 금속 영역을 확실하게 형성하는 것이 가능해져, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합할 수 있다. 또, Mg, Ca, Li 등의 산화 활성 원소의 산화를 방지할 수 있다. 또한, 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시키기 위해서는, 상기 첨가 원소와 Al 을 동시에 증착시켜도 된다. 상기 첨가 원소와 Al 의 합금을 타겟으로 이용하여 스퍼터링을 실시해도 된다. 또, Al 과 첨가 원소를 적층시켜도 된다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 일 양태에 있어서, 상기 고착 공정은, Ag 페이스트를 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 도포함으로써 상기 고착층을 형성하는 것이 바람직하다.
이 경우, Ag 페이스트를 도포함으로써 확실하게 고착층을 형성하는 것이 가능해진다. 또, Ag 페이스트는 대기 분위기에서 가열하여 소성시켜도, Ag 가 산화되지 않기 때문에, 용이하게 Ag 를 함유하는 고착층을 형성할 수 있다.
또한, Ag 페이스트를 사용하는 경우에는, 대기에서 가열했을 때의 금속판의 산화를 방지하기 위해서, 세라믹스 기판측에 도포하는 것이 바람직하다. 또, Ag 페이스트를 도포한 상태에서 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 적층해 두고, 적층된 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 가열할 때에, Ag 페이스트의 소성을 실시하는 구성으로 해도 된다.
본 발명의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 일 양태는, 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 표면에 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 1 금속판과, 상기 세라믹스 기판의 타방의 표면에 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 2 금속판과, 상기 제 2 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 접합면과는 반대측의 면에 접합된 상기 히트싱크를 구비한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법이다. 이 제조 방법은, 상기 세라믹스 기판과 상기 제 1 금속판, 및 상기 세라믹스 기판과 상기 제 2 금속판을 접합하는 세라믹스 기판 접합 공정과, 상기 제 2 금속판의 일면에 상기 히트싱크를 접합하는 히트싱크 접합 공정을 갖는다. 상기 히트싱크 접합 공정은, 상기 제 2 금속판의 접합면 및 상기 히트싱크의 접합면 중 적어도 일방에, Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜 첨가 원소층을 형성하는 첨가 원소층 형성 공정과, 상기 첨가 원소층을 개재하여 상기 제 2 금속판과 상기 히트싱크를 적층하는 히트싱크 적층 공정과, 적층된 상기 제 2 금속판과 상기 히트싱크를 적층 방향으로 가압함과 함께 가열하여, 상기 제 2 금속판과 상기 히트싱크의 계면에 용융 금속 영역을 형성하는 히트싱크 가열 공정과, 이 용융 금속 영역을 응고시키는 것에 의해, 상기 제 2 금속판과 상기 히트싱크를 접합하는 용융 금속 응고 공정을 갖는다. 상기 히트싱크 가열 공정에 있어서는, 상기 첨가 원소층의 첨가 원소를 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크를 향하여 확산시킴으로써, 상기 제 2 금속판과 상기 히트싱크의 계면에, 상기 용융 금속 영역을 형성한다.
이 구성의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서는, 제 2 금속판과 히트싱크의 접합 계면에, Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 개재된다. 이 첨가 원소는, 알루미늄의 융점을 강하시키는 원소이기 때문에, 비교적 저온 조건에서, 히트싱크와 제 2 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 형성할 수 있다.
따라서, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건으로 접합해도, 히트싱크와 제 2 금속판을 강고하게 접합하는 것이 가능해진다.
또, 제조가 곤란한 Al-Si 계의 납재박 등을 사용할 필요가 없어, 저비용으로, 제 2 금속판과 히트싱크가 확실하게 접합된 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.
또한, 납재박을 사용하지 않고, 상기 히트싱크의 접합면 및 상기 제 2 금속판의 접합면 중 적어도 일방에, 직접, 첨가 원소를 고착시키고 있으므로, 납재박의 위치 맞춤 작업 등을 실시할 필요가 없다.
게다가, 상기 히트싱크의 접합면 및 상기 제 2 금속판의 접합면에, 직접, 첨가 원소를 고착시킨 경우, 산화 피막은, 제 2 금속판 및 히트싱크의 표면에만 형성되게 되어, 제 2 금속판 및 히트싱크의 계면에 존재하는 산화 피막의 합계 두께가 얇아지므로, 초기 접합의 수율이 향상된다.
본 발명의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 일 양태에 있어서, 상기 세라믹스 기판 접합 공정과, 상기 히트싱크 접합 공정을 동시에 실시해도 된다.
이 경우, 상기 세라믹스 기판 접합 공정과, 상기 히트싱크 접합 공정을 동시에 실시하는 것에 의해, 접합에 드는 비용을 대폭 삭감할 수 있다. 또, 반복 가열, 냉각을 실시하지 않아도 되므로, 이 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 휨의 저감을 도모할 수 있다.
본 발명의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 일 양태에 있어서, 상기 첨가 원소층 형성 공정에서는, 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시켜도 된다.
이 경우, 히트싱크 가열 공정에 있어서, 이 첨가 원소층이 우선적으로 용융되어 용융 금속 영역을 확실하게 형성하는 것이 가능해져, 히트싱크와 제 2 금속판을 강고하게 접합할 수 있다. 또, Mg, Ca, Li 등의 산화 활성 원소의 산화를 방지할 수 있다. 또한, 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시키기 위해서는, 상기 첨가 원소와 Al 을 동시에 증착시켜도 된다. 상기 첨가 원소와 Al 의 합금을 타겟으로서 사용하여 스퍼터링을 실시해도 된다. 또, Al 과 첨가 원소를 적층해도 된다.
또한, 상기 서술한 본 발명의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 그 제조 방법의 일 양태에 있어서는, 상기 제 2 금속판의 두께가, 상기 제 1 금속판의 두께보다 두꺼워도 된다.
이 경우, 히트싱크가 형성되어 있는 측의 강성을 그 반대측의 강성과 비교하여 높게 할 수 있다. 이로써, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 휨을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 그 제조 방법의 일 양태에 있어서는, 상기 제 2 금속판이, 복수의 금속판이 적층되어 구성되어 있어도 된다.
이 경우, 히트싱크와 세라믹스 기판의 열팽창 계수의 차에서 기인되는 열 변형을 이 제 2 금속판에서 충분히 완화시킬 수 있어, 세라믹스 기판에서의 균열의 발생을 억제할 수 있다.
또, 상기 서술한 본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법 또는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 일 양태에 있어서는, 상기 고착 공정은, 도금, 증착, CVD, 스퍼터링, 콜드 스프레이, 또는 분말이 분산되어 있는 페이스트 및 잉크 등의 도포에 의해, 상기 세라믹스 기판, 상기 금속판, 상기 히트싱크 또는 상기 제 2 금속판 중 어느 것의 접합면에 상기 첨가 원소를 고착시켜도 된다.
이 경우, 접합 계면에 상기 첨가 원소를 확실하게 개재시키는 것이 가능해진다. 또, 상기 첨가 원소의 고착량을 양호한 정밀도로 조정할 수 있어, 세라믹스 기판과 금속판, 혹은, 히트싱크와 상기 제 2 금속판을 강고하게 접합하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 첨가 원소를 포함하는 페이스트를 사용하는 경우에는, 대기에서 가열했을 때의 금속판의 산화를 방지하기 위해서, 세라믹스 기판측에 도포하는 것이 바람직하다. 또, 상기 첨가 원소를 포함하는 페이스트를 도포한 상태에서 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 적층시켜 두고, 적층된 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 적층 방향으로 가압함과 함께 가열할 때에, 상기 첨가 원소를 포함하는 페이스트의 소성을 실시하는 구성으로 해도 된다.
본 발명에 의하면, 금속판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합되어, 열사이클 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈용 기판을 구비한 파워 모듈 및 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공하는 것이 가능해진다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층의 Ag 농도 분포 및 Ge 농도 분포를 나타내는 설명도이다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층 (금속판) 과 세라믹스 기판의 접합 계면의 TEM 관찰도이다.
도 4 는 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 5 는 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 6 은 도 5 에 있어서의 금속판과 세라믹스 기판의 접합 계면 근방을 나타내는 설명도이다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 8 은 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층의 Ag 농도 분포를 나타내는 설명도이다.
도 9 는 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층 (금속판) 과 세라믹스 기판의 접합 계면의 모식도이다.
도 10 은 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 11 은 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 12 는 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 13 은 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층의 Ag 농도 분포를 나타내는 설명도이다.
도 14 는 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층 (금속판) 과 세라믹스 기판의 접합 계면의 모식도이다.
도 15 는 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 16 은 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 17 은 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판을 구비한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 18 은 본 발명의 제 4 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 19 는 본 발명의 제 4 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 금속층 및 히트싱크의 Ag 농도 분포를 나타내는 설명도이다.
도 20 은 본 발명의 제 4 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 플로우도이다.
도 21 은 본 발명의 제 4 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 22 는 도 21 에 있어서의 제 2 금속판 (금속층) 과 히트싱크의 접합 계면 근방을 나타내는 설명도이다.
도 23 은 본 발명의 제 5 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 24 는 본 발명의 제 5 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 플로우도이다.
도 25 는 본 발명의 제 5 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 26 은 본 발명의 제 5 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 27 은 본 발명의 제 6 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층의 첨가 원소 (Ge) 의 농도 분포를 나타내는 설명도이다.
도 28 은 본 발명의 제 7 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층의 첨가 원소 (Mg) 의 농도 분포를 나타내는 설명도이다.
도 29 는 본 발명의 제 8 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층의 첨가 원소 (Zn) 의 농도 분포를 나타내는 설명도이다.
도 30 은 본 발명의 제 9 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 금속층 및 히트싱크의 첨가 원소 (Ge) 의 농도 분포를 나타내는 설명도이다.
도 31 은 본 발명의 다른 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
먼저, 본 발명의 제 1 실시형태에 대해, 도 1 내지 도 6 을 이용하여 설명한다.
도 1 에 나타내는 파워 모듈 (1) 은, 회로층 (12) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (10) 과, 회로층 (12) 의 표면에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 칩 (3) 과, 히트싱크 (4) 를 구비하고 있다. 여기서, 땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 회로층 (12) 과 땜납층 (2) 사이에 Ni 도금층 (도시 생략) 이 형성되어 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (12) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 1 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (13) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 회로층 (12) 과 금속층 (13) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.635 ㎜ 로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 세라믹 기판 (11) 의 폭 (도 1 의 좌우 방향 길이) 은, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 폭보다 넓게 되어 있다.
회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 도전성을 갖는 금속판 (22) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 이 되는 금속판 (22) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 되어 있다.
금속층 (13) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 금속판 (23) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 이 되는 금속판 (23) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 되어 있다.
히트싱크 (4) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (10) 을 냉각시키기 위한 것이다. 이 히트싱크 (4) 는, 파워 모듈용 기판 (10) 과 접합되는 천판부 (5) 와, 냉각 매체 (예를 들어 냉각수) 를 유통하기 위한 유로 (6) 를 구비하고 있다. 히트싱크 (4) 의 천판부 (5) 는, 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 본 실시형태에 있어서는, A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 히트싱크 (4) 의 천판부 (5) 와 금속층 (13) 사이에 완충층 (15) 이 형성되어 있다. 이 완충층 (15) 은, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 알루미늄을 함유하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어진다.
그리고, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 접합 계면 (30) 에 있어서는, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 에, 첨가 원소로서 Ag 에 추가로, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소가 고용되어 있다.
회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방에는, 접합 계면 (30) 으로부터 적층 방향으로 이간됨에 따라 점차 Ag 와, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소의 농도가 저하되는 농도 경사층 (33) 이 형성되어 있다. 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방의 Ag 농도 및 Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소의 농도의 합계가, 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하의 범위 내로 되어 있다.
본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Ag 에 추가로 Ge 가 고용되어 있고, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방의 Ag 농도 및 Ge 농도의 합계가 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하로 되어 있다.
또한, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방의 Ag 농도 및 Ge 농도는, EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해, 접합 계면 (30) 에서 50 ㎛ 의 위치에서 5 점 측정한 평균값이다. 또, 도 2 의 그래프는, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 중앙 부분에 있어서 적층 방향으로 라인 분석을 실시하여, 전술한 50 ㎛ 위치에서의 농도를 기준으로 하여 구한 것이다.
또, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 접합 계면 (30) 을 투과 전자 현미경에서 관찰한 경우에는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 접합 계면 (30) 에 Ag 가 농축된 Ag 고농도부 (32) 가 관찰된다. 이 Ag 고농도부 (32) 에 있어서는, Ag 농도가, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 중의 Ag 농도의 2 배 이상으로 되어 있다. 또한, 이 Ag 고농도부 (32) 의 두께 (H) 는 4 ㎚ 이하로 되어 있다.
또한, 이 Ag 고농도부 (32) 에 있어서는, 산소 농도가, 세라믹스 기판 (11) 중의 산소 농도보다 높다.
또한, 여기서 관찰하는 접합 계면 (30) 에 있어서는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 격자 이미지의 계면측 단부와 세라믹스 기판 (11) 의 격자 이미지의 접합 계면측 단부 사이의 중앙을 기준면 (S) 으로 한다. 또, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 중의 Ag 농도란, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 중 접합 계면 (30) 으로부터 일정 거리 (본 실시형태에서는, 5 ㎚ 이상) 떨어진 부분 (도 3 에 있어서 A 점) 에 있어서의 Ag 농도이다.
또, 세라믹스 기판 (11) 중의 산소 농도란, 세라믹스 기판 (11) 중 접합 계면 (30) 으로부터 일정 거리 (본 실시형태에서는, 5 ㎚ 이상) 떨어진 부분 (도 3 에 있어서 C 점) 에 있어서의 결정립 내의 산소 농도이다.
또, 이 접합 계면 (30) (도 3 에 있어서 B 점) 을 에너지 분산형 X 선 분석법 (EDS) 으로 분석했을 때의 Al, Ag, O, N 의 질량비가, Al : Ag : O : N = 50 ∼ 90 질량％ : 1 ∼ 30 질량％ : 1 ∼ 10 질량％ : 25 질량％ 이하로 되어 있다. EDS 에 의한 분석을 실시할 때의 스폿 직경은 1 ∼ 4 ㎚ 로 되어 있다. 접합 계면 (30) 을 복수점 (예를 들어, 본 실시형태에서는 20 점) 에서 측정하여, 그 평균값을 산출하고 있다. 또, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 을 구성하는 금속판 (22, 23) 의 결정립계와 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면 (30) 은 측정 대상으로 하지 않고, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 을 구성하는 금속판 (22, 23) 의 결정립과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면 (30) 만을 측정 대상으로 하고 있다.
이하에, 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법에 대해, 도 4 내지 도 6 을 참조하여 설명한다.
(고착 공정 S01)
먼저, 도 5 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (22, 23) 의 각각의 접합면에, 스퍼터링에 의해, 첨가 원소로서 Ag 와, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 고착시키고, 고착층 (24, 25) 을 형성한다.
여기서, 본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Ag 와 Ge 를 이용하고 있다. 고착층 (24, 25) 에 있어서의 Ag 량은 0.01 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하로 한다. Ge 량은 0.01 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하로 한다.
(적층 공정 S02)
다음으로, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (22) 을 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면측에 적층한다. 또, 금속판 (23) 을 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면측에 적층한다. 이 때, 도 5 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (22, 23) 중 고착층 (24, 25) 이 형성된 면이 세라믹스 기판 (11) 을 향하도록 적층한다. 즉, 금속판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 사이에 고착층 (24) (Ag 및 Ge) 을 개재시키고, 금속판 (23) 과 세라믹스 기판 (11) 사이에 고착층 (25) (Ag 및 Ge) 을 개재시킨다. 이와 같이 하여 적층체 (20) 를 형성한다.
(가열 공정 S03)
다음으로, 적층 공정 S02 에 있어서 형성된 적층체 (20) 를 그 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태에서 진공 가열로 내에 장입 (裝入) 하여 가열한다. 이로써, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 용융 금속 영역 (26) 을 형성하고, 금속판 (23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 용융 금속 영역 (27) 을 형성한다. 이 용융 금속 영역 (26, 27) 은, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 고착층 (24, 25) 의 Ag 및 Ge 가 금속판 (22, 23) 을 향하여 확산됨으로써, 금속판 (22, 23) 의 고착층 (24, 25) 근방의 Ag 농도 및 Ge 농도가 상승되어 융점이 낮아지는 것에 의해 형성된다. 또한, 상기 서술한 압력이 1 kgf/㎠ 미만인 경우에는, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 접합을 양호하게 실시할 수 없게 될 우려가 있다. 또, 상기 서술한 압력이 35 kgf/㎠ 를 초과하는 경우에는, 금속판 (22, 23) 이 변형될 우려가 있다. 따라서, 상기 서술한 가압 압력은, 1 ∼ 35 kgf/㎠ 의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
여기서, 본 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-3 ∼ 10-6 Pa 의 범위 내, 가열 온도는 550 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로 하고 있다.
(응고 공정 S04)
다음으로, 용융 금속 영역 (26, 27) 이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지해 둔다. 그러면, 용융 금속 영역 (26, 27) 중의 Ag 및 Ge 가, 금속판 (22, 23) 을 향하여 더욱 확산해 간다. 이로써, 용융 금속 영역 (26, 27) 이었던 부분의 Ag 농도 및 Ge 농도가 서서히 저하되어 융점이 상승되어, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 간다. 요컨대, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 은, 이른바 확산 접합 (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding) 에 의해 접합되어 있다. 이와 같이 하여 응고가 진행된 후에, 상온으로까지 냉각을 실시한다.
이와 같이 하여, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 되는 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 이 접합되어, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 및 파워 모듈 (1) 에 있어서는, 금속판 (22, 23) 의 접합면에, Ag 에 추가로 Ge 를 고착시키는 고착 공정 S01 을 구비하고 있으므로, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면 (30) 에, Ag 및 Ge 가 개재된다. 여기서, Ag, Ge 는, 알루미늄의 융점을 강하시키는 원소이기 때문에, 비교적 저온 조건에서, 금속판과 세라믹스 기판의 계면에 용융 금속 영역을 형성할 수 있다.
또한, 고착층 (24, 25) 의 Ag 및 Ge 를 금속판 (22, 23) 을 향하여 확산시키는 것에 의해, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 을 접합하고 있으므로, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건으로 접합해도, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 을 강고하게 접합하는 것이 가능해진다.
또, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 접합 계면 (30) 에 있어서는, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 에 Ag 및 Ge 가 고용되어 있다. 그리고, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 각각의 접합 계면 (30) 측의 Ag 농도 및 Ge 농도의 합계가, 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하로 되어 있다. 따라서, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 접합 계면 (30) 측의 부분이 고용 강화되어, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 에 있어서의 균열의 발생을 방지할 수 있다.
또, 가열 공정 S03 에 있어서, Ag 및 Ge 가 금속판 (22, 23) 을 향하여 충분히 확산되어 있어, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 이 강고하게 접합된다.
또, 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (11) 이 AlN 으로 구성되어 있고, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 되는 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면 (30) 에, Ag 가 농축된 Ag 고농도부 (32) 가 형성되어 있다. 이 Ag 고농도부 (32) 의 Ag 농도가, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 중의 Ag 농도의 2 배 이상으로 되어 있으므로, 계면 근방에 존재하는 Ag 원자에 의해, 세라믹스 기판과 금속판의 접합 강도의 향상을 도모하는 것이 가능해진다. 또, 이 Ag 고농도부 (32) 의 두께가 4 ㎚ 이하로 되어 있으므로, 열사이클을 부하했을 때의 응력에 의해 Ag 고농도부 (32) 에 크랙이 발생하는 것이 억제된다.
또한, 본 실시형태에서는, 접합 계면 (30) 을 에너지 분산형 X 선 분석법으로 분석한 Al, Ag, O, N 의 질량비가, Al : Ag : O : N = 50 ∼ 90 질량％ : 1 ∼ 30 질량％ : 1 ∼ 10 질량％ : 25 질량％ 이하로 되어 있으므로, 접합 계면 (30) 에, Al 과 Ag 의 반응물이 과잉하게 생성되어 접합을 저해하는 것을 방지할 수 있음과 함께, Ag 원자에 의한 접합 강도의 향상 효과를 충분히 이룰 수 있다. 또, 접합 계면 (30) 에 산소 농도가 높은 부분이 두껍게 존재하는 것이 방지되어 열사이클을 부하했을 때의 크랙의 발생을 억제할 수 있다.
또, 금속판의 접합면에, 제조가 곤란한 Al-Si 계의 납재박을 사용할 필요가 없기 때문에, 파워 모듈용 기판 (10) 을 저비용으로 제조할 수 있다. 또한 납재박의 위치 맞춤 작업 등을 실시할 필요가 없이, 확실하게 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 을 접합할 수 있다. 따라서, 이 파워 모듈용 기판 (10) 을 효율적으로 제출 (製出) 하는 것이 가능해진다.
게다가, 금속판 (22, 23) 의 접합면에 고착층 (24, 25) 을 형성하고 있으므로, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 개재되는 산화 피막은, 금속판 (22, 23) 의 표면에만 존재하게 되기 때문에, 초기 접합의 수율을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해, 도 7 내지 도 11 을 참조하여 설명한다.
도 7 에 나타내는 파워 모듈 (101) 은, 회로층 (112) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (110) 과, 회로층 (112) 의 표면에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 칩 (3) 과, 히트싱크 (140) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (110) 은, 세라믹스 기판 (111) 과, 이 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면 (도 7 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (112) 과, 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면 (도 7 에서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (113) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (111) 은, 절연성이 높은 Al2O3 (알루미나) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (111) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.635 ㎜ 로 되어 있다.
회로층 (112) 은, 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면에 도전성을 갖는 제 1 금속판 (122) 이 접합됨으로써 형성되어 있다.
금속층 (113) 은, 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면에 제 2 금속판 (123) 이 접합됨으로써 형성되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 제 1 금속판 (122) 및 제 2 금속판 (123) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄의 압연판으로 되어 있다.
히트싱크 (140) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (110) 을 냉각시키기 위한 것이다. 이 히트싱크 (140) 는, 파워 모듈용 기판 (110) 과 접합되는 천판부 (141) 와 냉각 매체가 유통하는 유로 (142) 를 구비하고 있다. 히트싱크 (140) 의 천판부 (141) 는, 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 본 실시형태에 있어서는, A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 히트싱크 (140) 의 천판부 (141) 와 금속층 (113) 사이에는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 알루미늄을 함유하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층 (115) 이 형성되어 있다.
그리고, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 의 접합 계면 (130) 에 있어서는, 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 에, Ag 가 고용되어 있다.
상세히 서술하면, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 접합 계면 (130) 근방에는, 접합 계면 (130) 으로부터 적층 방향으로 이간됨에 따라 점차 Ag 농도가 저하되는 농도 경사층 (133) 이 형성되어 있다. 여기서, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 접합 계면 (130) 근방의 Ag 농도가, 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하로 되어 있다.
또한, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 접합 계면 (130) 근방의 Ag 농도는, EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해, 접합 계면 (130) 에서 50 ㎛ 의 위치에서 5 점 측정한 평균값이다. 또, 도 8 의 그래프는, 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 의 중앙 부분에 있어서 적층 방향으로 라인 분석을 실시하여, 전술한 50 ㎛ 위치에서의 농도를 기준으로 하여 구한 것이다.
또, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 의 접합 계면 (130) 을 투과 전자 현미경에서 관찰한 경우에는, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 접합 계면 (130) 에 Ag 가 농축된 Ag 고농도부 (132) 가 관찰된다. 이 Ag 고농도부 (132) 에 있어서는, Ag 농도가, 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 중의 Ag 농도의 2 배 이상으로 되어 있다. 또한, 이 Ag 고농도부 (132) 의 두께 (H) 는 4 ㎚ 이하로 되어 있다.
또한, 여기서 관찰하는 접합 계면 (130) 은, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 의 격자 이미지의 계면측 단부와 세라믹스 기판 (111) 의 격자 이미지의 접합 계면측 단부 사이의 중앙을 기준면 (S) 으로 한다. 또, 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 중의 Ag 농도는, 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 중 접합 계면 (130) 으로부터 일정 거리 (본 실시형태에서는, 5 ㎚ 이상) 떨어진 부분에 있어서의 Ag 농도이다.
또, 이 접합 계면 (130) 을 에너지 분산형 X 선 분석법 (EDS) 으로 분석했을 때의 Al, Ag, O 의 질량비가, Al : Ag : O = 50 ∼ 90 질량％ : 1 ∼ 30 질량％ : 45 질량％ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, EDS 에 의한 분석을 실시할 때의 스폿 직경은 1 ∼ 4 ㎚ 로 되어 있다. 접합 계면 (130) 을 복수점 (예를 들어, 본 실시형태에서는 20 점) 에서 측정하여, 그 평균값을 산출하고 있다. 또, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 을 구성하는 금속판 (122, 123) 의 결정립계와 세라믹스 기판 (111) 의 접합 계면 (130) 은 측정 대상으로 하지 않고, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 을 구성하는 금속판 (122, 123) 의 결정립과 세라믹스 기판 (111) 의 접합 계면 (130) 만을 측정 대상으로 하고 있다.
이하에, 전술한 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 대해, 도 10, 도 11을 참조하여 설명한다.
(Ag 페이스트 도포 공정 S101)
먼저, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면 및 타방의 면에, 스크린 인쇄에 의해 Ag 페이스트를 도포하고, Ag 페이스트층 (124a, 125a) 을 형성한다. 또한, Ag 페이스트층 (124a, 125a) 의 두께는, 건조 후에 약 0.02 ∼ 200 ㎛ 로 되어 있다.
이 Ag 페이스트층 (124a, 125a) 을 150 ∼ 200 ℃ 까지 가열하여 용매를 제거한 후에, 300 ∼ 500 ℃ 에서 소성을 실시하고, 분해 Ag 페이스트층을 소성시킨다.
여기서 사용되는 Ag 페이스트는, Ag 분말과, 수지와, 용제와, 분산제를 함유하고 있다. 그리고, Ag 분말의 함유량이, Ag 페이스트 전체의 60 질량％ 이상 90 질량％ 이하로 되어 있고, 잔부가 수지, 용제, 분산제로 되어 있다. 또한, Ag 분말의 함유량은, Ag 페이스트 전체의 85 질량％ 로 되어 있다.
또, 본 실시형태에서는, Ag 페이스트의 점도가 10 Pa·s 이상 500 Pa·s 이하, 보다 바람직하게는 50 Pa·s 이상 300 Pa·s 이하로 조정되어 있다.
Ag 분말은, 그 입경이 0.05 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 이하로 되어 있고, 본 실시형태에서는, 평균 입경 0.8 ㎛ 인 것을 사용하였다.
용제는, 비점이 200 ℃ 이상인 것이 적합하고, 예를 들어, a-테르피네올, 부틸카르비톨아세테이트, 디에틸렌글리콜디부틸에테르 등을 적용할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 디에틸렌글리콜디부틸에테르를 사용하고 있다.
수지는, Ag 페이스트의 점도를 조정하는 것으로, 500 ℃ 이상에서 분해되는 것이 적합하다. 예를 들어, 아크릴 수지, 알키드 수지 등을 적용할 수 있다. 본 실시형태에서는, 에틸셀룰로오스를 사용하고 있다.
또, 본 실시형태에서는, 디카르복실산계의 분산제를 첨가하고 있다. 또한, 분산제를 첨가하지 않고 Ag 페이스트를 구성해도 된다.
(적층 공정 S102)
다음으로, 금속판 (122) 을 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면측에 적층한다. 또, 금속판 (123) 을 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면측에 적층한다.
(가열 공정 S103)
다음으로, 금속판 (122), 세라믹스 기판 (111), 금속판 (123) 을 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다. 이 때, 승온의 과정에 있어서, 400 ∼ 500 ℃ 의 시점에서, 분해 Ag 페이스트층 내의 수지가 제거되고, Ag 소성층 (124, 125) 이 형성된다. 이 Ag 소성층 (124, 125) 이, 본 실시형태에 있어서의 Ag 고착층이 된다.
그리고, 다시 가열함으로써, Ag 소성층 (124, 125) 의 Ag 가 금속판 (122, 123) 을 향하여 확산되어, 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 의 계면에 각각 용융 금속 영역이 형성된다. 여기서, 본 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하, 가열 온도는 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하로 하고 있다.
(응고 공정 S104)
다음으로, 용융 금속 영역이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지해 두고, 용융 금속 영역 중의 Ag 를 다시 금속판 (122, 123) 을 향하여 확산시킨다. 그러면, 용융 금속 영역이었던 부분의 Ag 농도가 서서히 저하되어 융점이 상승하고, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행된다. 요컨대, 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122, 123) 은, 이른바 확산 접합 (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding) 에 의해 접합되어 있다. 이와 같이 응고가 진행된 후에, 상온으로까지 냉각을 실시한다.
이와 같이 하여, 파워 모듈용 기판 (110) 이 제출된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 및 파워 모듈 (101) 에 있어서는, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (금속판 (122)) 이, 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면에 형성된 Ag 소성층 (124) 의 Ag 를 금속판 (122) 을 향하여 확산시킴으로써 접합되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (111) 과 금속층 (113) (금속판 (123)) 이, 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면에 형성된 Ag 소성층 (125) 의 Ag 를 금속판 (123) 을 향하여 확산시킴으로써 접합되어 있다. 따라서, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건으로 접합해도, 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122, 123) 을 강고하게 접합하는 것이 가능해진다.
또, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) 의 접합 계면 및 금속층 (113) 과의 접합 계면 (130) 에 있어서는, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 에 Ag 가 고용되어 있다. 그리고, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 각각의 접합 계면 (130) 측의 Ag 농도가, 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하로 되어 있으므로, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 접합 계면 (130) 측의 부분이 고용 강화되어, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 에 있어서의 균열의 발생을 방지할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (111) 이 Al2O3 으로 구성되어 있고, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 이 되는 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 의 접합 계면 (130) 에, Ag 가 농축된 Ag 고농도부 (132) 가 형성되어 있다. 그리고, 이 Ag 고농도부 (132) 의 Ag 농도가, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 중의 Ag 농도의 2 배 이상으로 되어 있으므로, 계면 근방에 존재하는 Ag 원자에 의해, 세라믹스 기판과 금속판의 접합 강도의 향상을 도모하는 것이 가능해진다. 또, 이 Ag 고농도부 (132) 의 두께가 4 ㎚ 이하로 되어 있으므로, 열사이클을 부하했을 때의 응력에 의해 Ag 고농도부 (132) 에 크랙이 발생하는 것이 억제된다.
또한, 본 실시형태에서는, 접합 계면 (130) 을 에너지 분산형 X 선 분석법으로 분석한 Al, Ag, O 의 질량비가, Al : Ag : O = 50 ∼ 90 질량％ : 1 ∼ 30 질량％ : 45 질량％ 이하로 되어 있으므로, 접합 계면 (130) 에, Al 과 Ag 의 반응물이 과잉하게 생성되어 접합을 저해하는 것을 방지할 수 있다. 또, Ag 원자에 의한 접합 강도의 향상 효과를 충분히 이룰 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, Ag 페이스트층 (124a, 125a) 을 소성시킨 Ag 소성층 (124, 125) 을 Ag 고착층으로 하고 있으므로, 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122, 123) 사이에 Ag 를 확실하게 개재시킬 수 있다. 또, 이 Ag 페이스트는, 대기 분위기에서 가열하여 소성시켜도 Ag 가 산화되지 않기 때문에, 비교적 용이하게 Ag 소성층 (124, 125) 을 형성할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 3 실시형태에 대해, 도 12 내지 도 17 을 참조하여 설명한다.
도 12 에 나타내는 파워 모듈 (201) 은, 회로층 (212) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (210) 과, 회로층 (212) 의 표면에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 칩 (3) 과, 히트싱크 (240) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (210) 은, 세라믹스 기판 (211) 과, 이 세라믹스 기판 (211) 의 일방의 면 (도 12 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (212) 과, 세라믹스 기판 (211) 의 타방의 면 (도 12 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (213) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (211) 은, 절연성이 높은 Si3N4 (질화규소) 로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (211) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.32 ㎜ 로 되어 있다.
회로층 (212) 은, 세라믹스 기판 (211) 의 일방의 면에 도전성을 갖는 제 1 금속판 (222) 이 접합됨으로써 형성되어 있다.
금속층 (213) 은, 세라믹스 기판 (211) 의 타방의 면에 제 2 금속판 (223) 이 접합됨으로써 형성되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 제 1 금속판 (222) 및 제 2 금속판 (223) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄의 압연판으로 되어 있다.
본 실시형태에 있어서의 히트싱크 (240) 는, 파워 모듈용 기판 (210) 과 접합되는 천판부 (241) 와, 이 천판부 (241) 에 대향하도록 배치된 저판부 (245) 와, 천판부 (241) 와 저판부 (245) 사이에 개재된 콜 게이트 핀 (246) 을 구비하고 있다. 그리고, 천판부 (241) 와 저판부 (245) 와 콜 게이트 핀 (246) 에 의해, 냉각 매체가 유통하는 유로 (242) 가 획성 (畵成) 되어 있다.
이 히트싱크 (240) 는, 천판부 (241) 와 콜 게이트 핀 (246), 콜 게이트 핀 (246) 과 저판부 (245) 가, 각각 납땜됨으로써 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 도 17 에 나타내는 바와 같이, 천판부 (241) 및 저판부 (245) 는, 기재층 (241A, 245A) 과, 기재층 (241A, 245A) 보다 융점이 낮은 재료로 이루어지는 접합층 (241B, 245B) 이 적층된 적층 알루미늄판으로 구성되어 있고, 접합층 (241B, 245B) 이 콜 게이트 핀 (246) 측을 향하도록, 천판부 (241) 및 저판부 (245) 가 배치 형성되어 있다.
본 실시형태에서는, 기재층 (241A, 245A) 이 A3003 합금으로 구성되어 있고, 접합층 (241B, 245B) 이 A4045 합금으로 구성되어 있다.
도 13 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (211) 과 회로층 (212) (금속판 (222)) 및 금속층 (213) (금속판 (223)) 의 접합 계면 (230) 에 있어서는, 회로층 (212) (금속판 (222)) 및 금속층 (213) (금속판 (223)) 에, Ag 가 고용되어 있다.
상세히 서술하면, 회로층 (212) 및 금속층 (213) 의 접합 계면 (230) 근방에는, 접합 계면 (230) 으로부터 적층 방향으로 이간됨에 따라 점차 Ag 농도가 저하되는 농도 경사층 (233) 이 형성되어 있다. 여기서, 회로층 (212) 및 금속층 (213) 의 접합 계면 (230) 근방의 Ag 농도가, 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하로 되어 있다.
회로층 (212) 및 금속층 (213) 의 접합 계면 (230) 근방의 Ag 농도는, EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해, 접합 계면 (230) 에서 50 ㎛ 의 위치에서 5 점 측정한 평균값이다. 도 13 의 그래프는, 회로층 (212) (금속판 (222)) 및 금속층 (213) (금속판 (223)) 의 중앙 부분에 있어서 적층 방향으로 라인 분석을 실시하고, 전술한 50 ㎛ 위치에서의 농도를 기준으로 하여 구한 것이다.
세라믹스 기판 (211) 과 회로층 (212) (금속판 (222)) 및 금속층 (213) (금속판 (223)) 의 접합 계면 (230) 을 투과 전자 현미경에서 관찰한 경우에는, 도 14 에 나타내는 바와 같이, 접합 계면 (230) 에 Ag 가 농축된 Ag 고농도부 (232) 가 관찰된다. 이 Ag 고농도부 (232) 에 있어서는, Ag 농도가, 회로층 (212) (금속판 (222)) 및 금속층 (213) (금속판 (223)) 중의 Ag 농도의 2 배 이상으로 되어 있다. 또한, 이 Ag 고농도부 (232) 의 두께 (H) 는 4 ㎚ 이하로 되어 있다.
또한, 이 Ag 고농도부 (232) 에 있어서는, 산소 농도가, 세라믹스 기판 (211) 중의 산소 농도보다 높다.
또한, 여기서 관찰하는 접합 계면 (230) 은, 도 14 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (212) (금속판 (222)) 및 금속층 (213) (금속판 (223)) 의 격자 이미지의 계면측 단부와 세라믹스 기판 (211) 의 격자 이미지의 접합 계면측 단부 사이의 중앙을 기준면 (S) 으로 한다. 또, 회로층 (212) (금속판 (222)) 및 금속층 (213) (금속판 (223)) 중의 Ag 농도는, 회로층 (212) (금속판 (222)) 및 금속층 (213) (금속판 (223)) 중 접합 계면 (230) 으로부터 일정 거리 (본 실시형태에서는, 5 ㎚ 이상) 떨어진 부분에 있어서의 Ag 농도이다.
또, 세라믹스 기판 (211) 중의 산소 농도란, 세라믹스 기판 (211) 중 접합 계면 (230) 으로부터 일정 거리 (본 실시형태에서는, 5 ㎚ 이상) 떨어진 부분에 있어서의 결정립 내의 산소 농도이다.
또, 이 접합 계면 (230) 을 에너지 분산형 X 선 분석법 (EDS) 으로 분석했을 때의 Al, Si, Ag, O, N 의 질량비가, Al : Si : Ag : O : N = 15 ∼ 45 질량％ : 15 ∼ 45 질량％ : 1 ∼ 30 질량％ : 1 ∼ 10 질량％ : 25 질량％ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, EDS 에 의한 분석을 실시할 때의 스폿 직경은 1 ∼ 4 ㎚ 로 되어 있다. 접합 계면 (230) 을 복수점 (예를 들어, 본 실시형태에서는 20 점) 에서 측정하여, 그 평균값을 산출하고 있다. 또, 회로층 (212) 및 금속층 (213) 을 구성하는 금속판 (222, 223) 의 결정립계와 세라믹스 기판 (211) 의 접합 계면 (230) 은 측정 대상으로 하지 않고, 회로층 (212) 및 금속층 (213) 을 구성하는 금속판 (222, 223) 의 결정립과 세라믹스 기판 (211) 의 접합 계면 (230) 만을 측정 대상으로 하고 있다.
이하에, 전술한 구성의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 대해, 도 15 내지 도 17 을 참조하여 설명한다.
(Ag 페이스트 도포 공정 S201)
먼저, 도 16 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (211) 의 일방의 면 및 타방의 면에, 슬롯 다이 또는 잉크젯 인쇄에 의해 Ag 페이스트를 도포하고, Ag 페이스트층 (224a, 225a) 을 형성한다. Ag 페이스트층 (224a, 225a) 의 두께는, 건조 후에 약 0.02 ∼ 200 ㎛ 로 되어 있다.
여기서, 사용되는 Ag 페이스트는, Ag 분말과 용제와 분산제를 함유하고 있다. Ag 분말의 함유량이, Ag 페이스트 전체의 60 질량％ 이상 90 질량％ 이하로 되어 있고, 잔부가 용제, 분산제로 되어 있다. 본 실시형태에서는, Ag 분말의 함유량은, Ag 페이스트 전체의 85 질량％ 로 되어 있다.
본 실시형태에서는, Ag 페이스트의 점도가 10 Pa·s 이상 500 Pa·s 이하, 보다 바람직하게는 50 Pa·s 이상 300 Pa·s 이하로 조정되어 있다.
Ag 분말은, 그 입경이 0.02 ㎛ 이상 0.04 ㎛ 이하로 되어 있고, 본 실시형태에서는, 평균 입경 0.03 ㎛ 인 것을 사용하였다.
용제는, 비점이 200 ℃ 이상인 것이 적합하다. 예를 들어, a-테르피네올, 부틸카르비톨아세테이트, 디에틸렌글리콜디부틸에테르 등을 적용할 수 있다. 본 실시형태에서는, 디에틸렌글리콜디부틸에테르를 이용하고 있다.
또, 본 실시형태에서는, 디카르복실산계의 분산제를 첨가하고 있다. 또한, 분산제를 첨가하지 않고 Ag 페이스트를 구성해도 된다.
(Ag 페이스트 소성 공정 S202)
다음으로, Ag 페이스트층 (224a, 225a) 을 형성한 세라믹스 기판 (211) 을 대기 분위기에서 150 ∼ 200 ℃ 로까지 가열하여, Ag 소성층 (224, 225) 을 형성한다. 본 실시형태에서는, 이 Ag 소성층 (224, 225) 이 Ag 고착층이 된다.
(적층 공정 S203)
다음으로, 금속판 (222) 을 세라믹스 기판 (211) 의 일방의 면측에 적층한다. 또, 금속판 (223) 을 세라믹스 기판 (211) 의 타방의 면측에 적층한다.
(가열 공정 S204)
다음으로, 금속판 (222), 세라믹스 기판 (211), 금속판 (223) 을 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다. 그러면, Ag 소성층 (224, 225) 의 Ag 가 금속판 (222, 223) 을 향하여 확산됨으로써, 금속판 (222, 223) 과 세라믹스 기판 (211) 의 계면에 용융 금속 영역이 형성된다.
여기서, 본 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하, 가열 온도는 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하로 하고 있다.
(응고 공정 S205)
다음으로, 용융 금속 영역이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지해 두고, 용융 금속 영역 중의 Ag 를 금속판 (222, 223) 을 향하여 확산시킨다. 그러면, 용융 금속 영역이었던 부분의 Ag 농도가 서서히 저하되어 융점이 상승하고, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 간다. 요컨대, 세라믹스 기판 (211) 과 금속판 (222, 223) 은, 이른바 확산 접합 (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding) 에 의해 접합되어 있는 것이다. 이와 같이 응고가 진행된 후에, 상온으로까지 냉각을 실시한다.
이와 같이 하여, 파워 모듈용 기판 (210) 이 제출된다.
(히트싱크 적층 공정 S206)
다음으로, 파워 모듈용 기판 (210) 의 금속층 (213) 의 타방의 면측에, 천판부 (241), 콜 게이트 핀 (246), 저판부 (245) 를 적층한다. 이 때, 금속층 (213) 과 천판부 (241) 사이에 Ag 고착층 (226) 을 개재시킨다. 본 실시형태에서는, Ag 고착층 (226) 은, 금속층 (213) 의 타방의 면에, 스퍼터나 도금, 또 Ag 페이스트를 스크린 인쇄함으로써 형성되어 있다.
또, 천판부 (241) 의 접합층 (241B) 및 저판부 (245) 의 접합층 (245B) 이 콜 게이트 핀 (246) 측을 향하도록, 천판부 (241) 및 저판부 (245) 를 적층한다.
(히트싱크 가열 공정 S207)
다음으로, 적층된 파워 모듈용 기판 (210), 천판부 (241), 콜 게이트 핀 (246) 및 저판부 (245) 를 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태에서, 분위기 가열로 내에 장입하여 가열한다. Ag 고착층 (226) 의 Ag 가 금속층 (213) 및 천판부 (241) 를 향하여 확산됨으로써, 금속층 (213) 과 히트싱크 (240) 의 천판부 (241) 사이에 용융 금속 영역이 형성된다. 동시에, 천판부 (241) 와 콜 게이트 핀 (246), 저판부 (245) 와 콜 게이트 핀 (246) 사이에, 접합층 (241B, 245B) 이 용융됨으로써 용융 금속 영역이 형성된다.
여기서, 본 실시형태에서는, 분위기 가열로 안은, 질소 가스 분위기로 하고, 가열 온도는 550 ℃ 이상 630 ℃ 이하의 범위 내로 하고 있다.
(용융 금속 응고 공정 S208)
이들을 냉각시킴으로써, 금속층 (213) 과 히트싱크 (240) 의 천판부 (241) 사이에 형성된 용융 금속 영역이 응고되어, 금속층 (213) 과 천판부 (241) 가 접합된다. 또, 천판부 (241) 와 콜 게이트 핀 (246), 저판부 (245) 와 콜 게이트 핀 (246) 사이에 형성된 용융 금속 영역이 응고되고, 천판부 (241) 와 콜 게이트 핀 (246), 저판부 (245) 와 콜 게이트 핀 (246) 이 접합된다.
이와 같이 하여, 천판부 (241) 와 콜 게이트 핀 (246) 과 저판부 (245) 가 납땜되어 히트싱크 (240) 가 형성된다. 이 히트싱크 (240) 와 파워 모듈용 기판 (210) 이 접합되어 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판이 제조된다.
이상과 같은 구성이 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 및 파워 모듈 (201) 에 있어서는, 세라믹스 기판 (211) 과 회로층 (212) (금속판 (222)) 및 금속층 (213) (금속판 (223)) 이, 세라믹스 기판 (211) 의 일방의 면 및 타방의 면에 형성된 Ag 소성층 (224, 225) 의 Ag 를 금속판 (222, 223) 을 향하여 확산시킴으로써 접합되어 있으므로, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건으로 접합해도, 세라믹스 기판 (211) 과 금속판 (222, 223) 을 강고하게 접합하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태에서는, 회로층 (212) 및 금속층 (213) 이 되는 금속판 (222, 223) 과 세라믹스 기판 (211) 의 접합 계면 (230) 에, Ag 가 농축된 Ag 고농도부 (232) 가 형성되어 있다. 그리고, 이 Ag 고농도부 (232) 의 Ag 농도가, 회로층 (212) 및 금속층 (213) 중의 Ag 농도의 2 배 이상으로 되어 있다. 따라서, 계면 근방에 존재하는 Ag 원자에 의해, 세라믹스 기판 (211) 과 금속판 (222, 223) 의 접합 강도의 향상을 도모하는 것이 가능해진다. 또, 이 Ag 고농도부 (232) 의 두께가 4 ㎚ 이하로 되어 있으므로, 열사이클을 부하했을 때의 응력에 의해 Ag 고농도부 (232) 에 크랙이 발생하는 것이 억제된다.
또한, 본 실시형태에서는, 접합 계면 (230) 을 에너지 분산형 X 선 분석법으로 분석한 Al, Si, Ag, O, N 의 질량비가, Al : Si : Ag : O : N = 15 ∼ 45 질량％ : 15 ∼ 45 질량％ : 1 ∼ 30 질량％ : 1 ∼ 10 질량％ : 25 질량％ 이하로 되어 있으므로, 접합 계면 (230) 에, Al 과 Ag 의 반응물이 과잉하게 생성되어 접합을 저해하는 것을 방지할 수 있다. 또, Ag 원자에 의한 접합 강도의 향상 효과를 충분히 이룰 수 있다. 또한, 접합 계면 (230) 에 산소 농도가 높은 부분이 두껍게 존재하는 것이 방지되어 열사이클을 부하했을 때의 크랙의 발생을 억제할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, Ag 페이스트층 (224a, 225a) 을 소성시킨 Ag 소성층 (224, 225) 을 Ag 고착층으로 하고 있으므로, 세라믹스 기판 (211) 과 금속판 (222, 223) 사이에 Ag 를 확실하게 개재시킬 수 있다. 또, 이 Ag 페이스트는, 대기 분위기에서 가열하여 소성시켜도 Ag 가 산화되지 않기 때문에, 비교적 용이하게 Ag 소성층 (224, 225) 을 형성할 수 있다.
게다가, 본 실시형태에서는, 입경이 0.02 ㎛ 이상 0.04 ㎛ 이하인 Ag 입자가 되어 수지를 함유하지 않는 Ag 페이스트를 사용하고 있으므로, 200 ℃ 정도의 저온에서 Ag 페이스트층 (224a, 225a) 을 소성시켜 Ag 소성층 (224, 225) 을 형성하는 것이 가능해진다.
다음으로, 본 발명의 제 4 실시형태에 대해, 도 18 내지 도 22 를 참조하여 설명한다.
도 18 에 나타내는 파워 모듈 (301) 은, 회로층 (312) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (310) 과, 회로층 (312) 의 표면에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 칩 (3) 과, 히트싱크 (340) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (310) 은, 세라믹스 기판 (311) 과, 이 세라믹스 기판 (311) 의 일방의 면 (도 18 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (312) 과, 세라믹스 기판 (311) 의 타방의 면 (도 18 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (313) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (311) 은, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (311) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.635 ㎜ 로 되어 있다.
회로층 (312) 은, 세라믹스 기판 (311) 의 일방의 면에 도전성을 갖는 제 1 금속판 (322) 이 접합됨으로써 형성되어 있다.
금속층 (313) 은, 세라믹스 기판 (311) 의 타방의 면에 제 2 금속판 (323) 이 접합됨으로써 형성되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 제 1 금속판 (322) 및 제 2 금속판 (323) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄의 압연판으로 되어 있다.
히트싱크 (340) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (310) 을 냉각시키기 위한 것이다. 이 히트싱크 (340) 는, 파워 모듈용 기판 (310) 에 접합되는 천판부 (341) 와, 냉각 매체 (예를 들어 냉각수) 를 유통하기 위한 유로 (342) 를 구비하고 있다. 히트싱크 (340) 의 천판부 (341) 는, 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 본 실시형태에 있어서는, A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
그리고, 제 2 금속판 (323) (금속층 (313)) 과 히트싱크 (340) 의 접합 계면 (330) 에 있어서는, 금속층 (313) (제 2 금속판 (323)) 및 히트싱크 (340) 에, Ag 가 고용되어 있다.
상세히 서술하면, 도 19 에 나타내는 바와 같이, 금속층 (313) 과 히트싱크 (340) 의 접합 계면 (330) 근방에는, 접합 계면 (330) 으로부터 적층 방향으로 이간됨에 따라 점차 Ag 농도가 저하되는 농도 경사층 (333, 334) 이 형성되어 있다. 여기서, 금속층 (313) 과 히트싱크 (340) 의 접합 계면 (330) 근방의 Ag 농도가, 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하로 되어 있다.
금속층 (313) 과 히트싱크 (340) 의 접합 계면 (330) 근방의 Ag 농도는, EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해, 접합 계면 (330) 에서 50 ㎛ 의 위치에서 5 점 측정한 평균값이다. 또, 도 19 의 그래프는, 금속층 (313) (금속판 (323)) 및 히트싱크 (340) (천판부 (341)) 의 폭 중앙 부분에 있어서 적층 방향으로 라인 분석을 실시하여, 전술한 50 ㎛ 위치에서의 농도를 기준으로 하여 구한 것이다.
이하에, 전술한 구성의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 대해, 도 20 내지 도 22 를 참조하여 설명한다.
(Ag 층 형성 공정 S301/고착 공정 S311)
먼저, 도 21 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (312) 이 되는 제 1 금속판 (322) 의 일면에, 스퍼터링에 의해 Ag 를 고착시켜 제 1 Ag 층 (324) 을 형성한다. 금속층 (313) 이 되는 제 2 금속판 (323) 의 일면에, 스퍼터링에 의해 Ag 를 고착시켜 제 2 Ag 층 (325) 을 형성한다 (고착 공정 S311).
또, 금속층 (313) 이 되는 제 2 금속판 (323) 의 타면에, 스퍼터링에 의해 Ag 를 고착시켜 Ag 층 (326) 을 형성한다 (Ag 층 형성 공정 S301).
여기서, 본 실시형태에서는, 제 1 Ag 층 (324), 제 2 Ag 층 (325) 및 Ag 층 (326) 에 있어서의 Ag 량은, 0.01 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하로 되어 있다.
(히트싱크 적층 공정 S302/세라믹스 기판 적층 공정 S312)
다음으로, 도 21 에 나타내는 바와 같이, 제 1 금속판 (322) 을 세라믹스 기판 (311) 의 일방의 면측에 적층한다. 또, 제 2 금속판 (323) 을 세라믹스 기판 (311) 의 타방의 면측에 적층한다 (세라믹스 기판 적층 공정 S312). 이 때, 도 21 에 나타내는 바와 같이, 제 1 금속판 (322) 의 제 1 Ag 층 (324), 제 2 금속판 (323) 의 제 2 Ag 층 (325) 이 형성된 면이 세라믹스 기판 (311) 을 향하도록, 제 1 금속판 (322) 및 제 2 금속판 (323) 을 적층한다.
또한, 제 2 금속판 (323) 의 타방의 면측에, 히트싱크 (340) 를 적층한다 (히트싱크 적층 공정 S302). 이 때, 도 21 에 나타내는 바와 같이, 제 2 금속판 (323) 의 Ag 층 (326) 이 형성된 면이 히트싱크 (340) 를 향하도록, 제 2 금속판 (323) 과 히트싱크 (340) 를 적층한다.
즉, 제 1 금속판 (322) 과 세라믹스 기판 (311) 사이에 제 1 Ag 층 (324) 을 개재시키고, 제 2 금속판 (323) 과 세라믹스 기판 (311) 사이에 제 2 Ag 층 (325) 을 개재시키고, 제 2 금속판 (323) 과 히트싱크 (340) 사이에 Ag 층 (326) 을 개재시키고 있는 것이다.
(히트싱크 가열 공정 S303/세라믹스 기판 가열 공정 S313)
다음으로, 제 1 금속판 (322), 세라믹스 기판 (311), 제 2 금속판 (323), 히트싱크 (340) 를 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다. 제 1 Ag 층 (324) 의 Ag 가 제 1 금속판 (322) 을 향하여 확산됨으로써, 제 1 금속판 (322) 과 세라믹스 기판 (311) 의 계면에 제 1 용융 금속 영역 (327) 이 형성된다. 제 2 Ag 층 (325) 의 Ag 가 제 2 금속판 (323) 을 향하여 확산됨으로써, 제 2 금속판 (323) 과 세라믹스 기판 (311) 의 계면에 제 2 용융 금속 영역 (328) 이 형성된다 (세라믹스 기판 가열 공정 S313).
또, 동시에, 제 2 금속판 (323) 과 히트싱크 (340) 사이에 용융 금속 영역 (329) 을 형성한다 (히트싱크 가열 공정 S303). 용융 금속 영역 (329) 은, 도 22 에 나타내는 바와 같이, Ag 층 (326) 의 Ag 가 제 2 금속판 (323) 및 히트싱크 (340) 를 향하여 확산되고, 제 2 금속판 (323) 및 히트싱크 (340) 의 Ag 층 (326) 근방의 Ag 농도가 상승되어 융점이 낮아짐으로써 형성되는 것이다.
본 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하, 가열 온도는 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하로 하고 있다.
(용융 금속 응고 공정 S304/제 1 용융 금속 및 제 2 용융 금속 응고 공정 S314)
다음으로, 용융 금속 영역 (329) 이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지해 둔다. 그러면, 용융 금속 영역 (329) 중의 Ag 가, 다시 제 2 금속판 (323) 및 히트싱크 (340) 를 향하여 확산된다. 이로써, 용융 금속 영역 (329) 이었던 부분의 Ag 농도가 서서히 저하되어 융점이 상승하고, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 간다. 요컨대, 히트싱크 (340) 와 제 2 금속판 (323) 은, 이른바 확산 접합 (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding) 에 의해 접합되어 있는 것이다.
마찬가지로, 제 1 용융 금속 영역 (327) 중의 Ag 가, 다시 제 1 금속판 (322) 을 향하여 확산된다. 또, 제 2 용융 금속 영역 (328) 중의 Ag 가, 다시 제 2 금속판 (323) 을 향하여 확산된다. 그러면, 제 1 용융 금속 영역 (327), 제 2 용융 금속 영역 (328) 이었던 부분의 Ag 농도가 서서히 저하되어 융점이 상승하고, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 간다. 이로써, 세라믹스 기판 (311) 과 제 1 금속판 (322), 세라믹스 기판 (311) 과 제 2 금속판 (323) 이 접합된다. 요컨대, 세라믹스 기판 (311) 과 제 1 금속판 (322) 및 제 2 금속판 (323) 은, 이른바 확산 접합 (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding) 에 의해 접합되어 있는 것이다. 이와 같이 하여 응고가 진행된 후에, 상온으로까지 냉각을 실시한다.
이상과 같이 하여, 회로층 (312) 이 되는 제 1 금속판 (322) 과 세라믹스 기판 (311) 이 접합된다. 금속층 (313) 이 되는 제 2 금속판 (323) 과 세라믹스 기판 (311) 이 접합된다. 제 2 금속판 (323) 과 히트싱크 (340) 가 접합된다. 이로써, 본 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태에 있어서는, 제 2 금속판 (323) 과 히트싱크 (340) 의 접합 계면 (330) 에 Ag 가 개재된다. 이 Ag 는, 알루미늄의 융점을 강하시키는 원소이기 때문에, 비교적 저온 조건에서, 히트싱크 (340) 와 제 2 금속판 (323) 의 계면에 용융 금속 영역 (329) 을 형성할 수 있다. 따라서, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건으로 접합해도, 히트싱크 (340) 와 제 2 금속판 (323) 을 강고하게 접합하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태에서는, 제 1 금속판 (322) 과 세라믹스 기판 (311) 의 접합 계면, 제 2 금속판 (323) 과 세라믹스 기판 (311) 의 접합 계면에도 Ag 가 개재되고 있으므로, 세라믹스 기판 (311) 과 제 1 금속판 (322), 세라믹스 기판 (311) 과 제 2 금속판 (323) 을 강고하게 접합하는 것이 가능해진다.
또한, 제 2 금속판 (323) 의 접합면에 형성된 Ag 층 (326) 의 Ag 를 제 2 금속판 (323) 및 히트싱크 (340) 를 향하여 확산시킴으로써, 히트싱크 (340) 와 제 2 금속판 (323) (금속층 (313)) 을 접합하는 구성으로 하고 있으므로, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건으로 접합해도, 히트싱크 (340) 와 제 2 금속판 (323) 을 강고하게 접합하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태에서는, 제 1 금속판 (322), 제 2 금속판 (323) 의 접합면에 형성된 제 1 Ag 층 (324), 제 2 Ag 층 (325) 의 Ag 를 제 1 금속판 (322), 제 2 금속판 (323) 을 향하여 확산시킴으로써, 세라믹스 기판 (311) 과 제 1 금속판 (322) (회로층 (312)) 및 제 2 금속판 (323) (금속층 (313)) 을 접합하는 구성으로 하고 있으므로, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건으로 접합해도, 세라믹스 기판 (311) 과 제 1 금속판 (322) (회로층 (312)) 및 제 2 금속판 (323) (금속층 (313)) 을 강고하게 접합하는 것이 가능해진다.
또한, 히트싱크 (340) 와 제 2 금속판 (323) 의 접합, 및 세라믹스 기판 (311) 과 제 1 금속판 (322) 및 제 2 금속판 (323) 의 접합에, 납재박을 사용하고 있지 않기 때문에, 납재박의 위치 맞춤 작업 등을 실시할 필요가 없다. 따라서, 본 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 저비용으로 효율적으로 제출하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (311) 과 제 1 금속판 (322) 및 제 2 금속판 (323) 의 접합과, 제 2 금속판 (323) 과 히트싱크 (340) 의 접합을 동시에 실시하는 구성으로 하고 있으므로, 이들 접합에 드는 비용을 대폭 삭감할 수 있다. 또, 세라믹스 기판 (311) 에 대해 반복 가열, 냉각을 실시하지 않아도 되므로, 이 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 휨의 저감을 도모할 수 있다.
또한, Ag 층 형성 공정 S301 은, 스퍼터링에 의해 제 2 금속판 (323) 의 접합면에 Ag 를 고착시켜 Ag 층 (326) 을 형성하는 구성으로 하고 있으므로, 히트싱크 (340) 와 제 2 금속판 (323) 사이에 Ag 를 확실하게 개재시키는 것이 가능해진다. 또, Ag 의 고착량을 양호한 정밀도로 조정할 수 있고, 용융 금속 영역 (329) 을 확실하게 형성하여, 히트싱크 (340) 와 제 2 금속판 (323) 을 강고하게 접합하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 있어서는, 히트싱크 (340) 와 제 2 금속판 (323) (금속층 (313)) 의 접합 계면 (330) 에 있어서, 제 2 금속판 (323) (금속층 (313)) 및 히트싱크 (340) 에 Ag 가 고용되어 있고, 제 2 금속판 (323) (금속층 (313)) 및 히트싱크 (340) 의 각각의 접합 계면 (330) 측의 Ag 농도가, 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하로 되어 있다. 따라서, 제 2 금속판 (323) (금속층 (313)) 및 히트싱크 (340) 의 접합 계면 (330) 측의 부분이 고용 강화되어, 제 2 금속판 (323) (금속층 (313)) 및 히트싱크 (340) 에 있어서의 균열의 발생을 방지할 수 있다. 따라서, 신뢰성이 높은 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 제공할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 5 실시형태에 대해, 도 23 내지 도 26 을 이용하여 설명한다.
이 파워 모듈 (401) 은, 회로층 (412) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (410) 과, 회로층 (412) 의 표면에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 칩 (3) 과, 히트싱크 (440) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (410) 은, 세라믹스 기판 (411) 과, 이 세라믹스 기판 (411) 의 일방의 면 (도 23 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (412) 과, 세라믹스 기판 (411) 의 타방의 면 (도 23 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (413) 을 구비하고 있다. 또한, 세라믹스 기판 (411) 은 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다.
회로층 (412) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 제 1 금속판 (422) 이 세라믹스 기판 (411) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
금속층 (413) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 제 2 금속판 (423) 이 세라믹스 기판 (411) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
히트싱크 (440) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (410) 을 냉각시키기 위한 것이다. 히트싱크 (440) 는, 파워 모듈용 기판 (410) 과 접합되는 천판부 (441) 와, 이 천판부 (441) 에 대향하도록 배치된 저판부 (445) 와, 천판부 (441) 와 저판부 (445) 사이에 개장 (介裝) 된 콜 게이트 핀 (446) 을 구비하고 있다. 천판부 (441) 와 저판부 (445) 와 콜 게이트 핀 (446) 에 의해, 냉각 매체가 유통하는 유로 (442) 가 획성되어 있다.
이 히트싱크 (440) 는, 천판부 (441) 와 콜 게이트 핀 (446), 콜 게이트 핀 (446) 과 저판부 (445) 가, 각각 납땜됨으로써 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 도 26 에 나타내는 바와 같이, 저판부 (445) 는, 기재층 (445A) 과 기재층 (445A) 보다 융점이 낮은 재료로 이루어지는 접합층 (445B) 이 적층된 적층 알루미늄판으로 구성되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 기재층 (445A) 이 A3003 합금으로 구성되어 있고, 접합층 (445B) 이 A4045 합금으로 구성되어 있다.
그리고, 히트싱크 (440) 의 천판부 (441) 와 제 2 금속판 (423) (금속층 (413)) 의 접합 계면에는, 제 2 금속판 (423) (금속층 (413)) 및 천판부 (441) 에 Ag 가 고용되어 있다.
또, 제 1 금속판 (422) (회로층 (412)) 과 세라믹스 기판 (411) 의 접합 계면, 및 제 2 금속판 (423) (금속층 (413)) 과 세라믹스 기판 (411) 의 접합 계면에는, Ag 가 고용되어 있다.
이하에, 전술한 구성의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 대해 설명한다.
(고착층 형성 공정 S401)
먼저, 도 25 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (412) 이 되는 제 1 금속판 (422) 의 일면에, 스퍼터링에 의해 Ag 를 고착시켜 제 1 Ag 층 (424) 을 형성한다. 또, 금속층 (413) 이 되는 제 2 금속판 (423) 의 일면에, 스퍼터링에 의해 Ag 를 고착시켜 제 2 Ag 층 (425) 을 형성한다. 또한, 제 2 금속판 (423) 의 타면에, 스퍼터링에 의해 Ag 를 고착시켜 Ag 층 (426) 을 형성한다.
여기서, 본 실시형태에서는, 제 1 Ag 층 (424), 제 2 Ag 층 (425), Ag 층 (426) 에 있어서의 Ag 량은, 0.01 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하로 되어 있다.
(적층 공정 S402)
다음으로, 제 1 금속판 (422) 을 세라믹스 기판 (411) 의 일방의 면측에 적층한다. 제 2 금속판 (423) 을 세라믹스 기판 (411) 의 타방의 면측에 적층한다. 이 때, 도 25 에 나타내는 바와 같이, 제 1 금속판 (422) 의 제 1 Ag 층 (424), 제 2 금속판 (423) 의 제 2 Ag 층 (425) 이 형성된 면이 세라믹스 기판 (411) 을 향하도록, 제 1 금속판 (422) 및 제 2 금속판 (423) 을 적층한다.
또한, 제 2 금속판 (423) 의 Ag 층 (426) 이 형성된 면측에, 천판부 (441) 를 적층 배치한다.
(가열 공정 S403)
다음으로, 제 1 금속판 (422), 세라믹스 기판 (411), 제 2 금속판 (423), 천판부 (441) 를 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태에서, 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다. 제 1 Ag 층 (424) 의 Ag 가 제 1 금속판 (422) 을 향하여 확산됨으로써, 제 1 금속판 (422) 과 세라믹스 기판 (411) 의 계면에 제 1 용융 금속 영역 (427) 이 형성된다. 또, 제 2 Ag 층 (425) 의 Ag 가 제 2 금속판 (423) 을 향하여 확산됨으로써, 제 2 금속판 (423) 과 세라믹스 기판 (411) 의 계면에 제 2 용융 금속 영역 (428) 이 형성된다. 또한, Ag 층 (426) 의 Ag 가 제 2 금속판 (423) 및 천판부 (441) 를 향하여 확산됨으로써, 제 2 금속판 (423) 과 천판부 (441) 사이에, 용융 금속 영역 (429) 이 형성된다.
여기서, 본 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하, 가열 온도는 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하로 하고 있다.
(용융 금속 응고 공정 S404)
다음으로, 제 1 용융 금속 영역 (427), 제 2 용융 금속 영역 (428) 이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지해 둔다. 제 1 용융 금속 영역 중 (427) 의 Ag 가 제 1 금속판 (422) 을 향하여 확산된다. 제 2 용융 금속 영역 (428) 중의 Ag 가, 제 2 금속판 (423) 을 향하여 확산된다. 제 1 용융 금속 영역 (427), 제 2 용융 금속 영역 (428) 이었던 부분의 Ag 농도가 서서히 저하되어 융점이 상승하고, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 간다. 이로써, 세라믹스 기판 (411) 과 제 1 금속판 (422) 및 제 2 금속판 (423) 이 접합된다.
또, 용융 금속 영역 (429) 이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지해 둔다. 용융 금속 영역 (429) 중의 Ag 가, 제 2 금속판 (423) 및 천판부 (441) 를 향하여 확산된다. 용융 금속 영역 (429) 이었던 부분의 Ag 농도가 서서히 저하되어 융점이 상승하고, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 간다. 이로써, 제 2 금속판 (423) 과 천판부 (441) 가 접합된다.
(핀 적층 공정 S405)
다음으로, 도 26 에 나타내는 바와 같이, 천판부 (441) 의 타방의 면측에, 납재박 (447) (예를 들어, Al-10 ％ Si 합금박 등의 저융점 알루미늄 합금박), 콜 게이트 핀 (446), 저판부 (445) 를 적층한다. 이 때, 저판부 (445) 의 접합층 (445B) 이 콜 게이트 핀 (446) 측을 향하도록 저판부 (445) 를 적층한다. 또, 천판부 (441) 와 콜 게이트 핀 (446), 저판부 (445) 와 콜 게이트 핀 (446) 사이에는, 예를 들어, KAlF4 를 주성분으로 하는 플럭스 (도시 생략) 를 개재시켜 둔다.
(납땜 공정 S406)
다음으로, 천판부 (441), 콜 게이트 핀 (446) 및 저판부 (445) 를 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태에서, 분위기 가열로 내에 장입하여 가열한다. 그리고, 천판부 (441) 와 콜 게이트 핀 (446) 사이에, 납재박 (447) 을 용융시킨 용융 금속층을 형성한다. 또, 저판부 (445) 와 콜 게이트 핀 (446) 사이에, 접합층 (445B) 을 용융시킨 용융 금속층을 형성한다.
여기서, 본 실시형태에서는, 분위기 가열로 안은, 질소 가스 분위기로 되어 있고, 가열 온도는 550 ℃ 이상 630 ℃ 이하의 범위 내로 하고 있다.
이것을 냉각시킴으로써, 천판부 (441) 와 콜 게이트 핀 (446) 사이에 형성된 용융 금속층을 응고시켜, 천판부 (441) 와 콜 게이트 핀 (446) 을 납땜한다. 또, 저판부 (445) 와 콜 게이트 핀 (446) 사이에 형성된 용융 금속층을 응고시켜,저판부 (445) 와 콜 게이트 핀 (446) 을 납땜한다. 이 때, 천판부 (441), 콜 게이트 핀 (446), 저판부 (445) 의 표면에는, 산화 피막이 형성되어 있는데, 전술한 플럭스에 의해 이들 산화 피막이 제거된다.
이와 같이 하여, 본 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서는, 히트싱크 (440) 의 천판부 (441) 와 제 2 금속판 (423) (금속층 (413)) 사이에 Ag 를 고착시키고, 이 Ag 를 천판부 (441) 및 제 2 금속판 (423) 을 향하여 확산시킴으로써, 히트싱크 (440) 의 천판부 (441) 와 파워 모듈용 기판 (410) 을 접합하고 있으므로, 비교적 저온 조건에서도, 히트싱크 (440) 의 천판부 (441) 와 파워 모듈용 기판 (410) 을 확실하게 접합하는 것이 가능해진다.
이하에, 본 발명의 제 6 실시형태에 대해, 도 1 및 도 27 을 참조하여 설명한다.
제 6 실시형태에 관련된 파워 모듈은, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 에 고용되어 있는 첨가 원소가 상이한 것 이외에는, 제 1 실시형태와 동일하다. 이 때문에, 공통되는 부분의 설명을 생략하고, 도 1 및 그 부호를 이용하여 차이점을 설명한다.
제 6 실시형태에 관련된 파워 모듈 (1) 에서는, 도 1 에 있어서, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 에, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가, 합계 농도가 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내에서 고용되어 있다.
회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방에는, 접합 계면 (30) 으로부터 적층 방향으로 이간됨에 따라 점차 첨가 원소의 농도가 저하되는 농도 경사층 (33) 이 형성되어 있다. 여기서, 본 실시형태에서는, Ge 를 첨가 원소로서 사용하고 있어, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방의 Ge 농도가 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하로 되어 있다. 도 27 에, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 첨가 원소 (Ge) 의 농도 분포를 나타낸다.
또, 이 접합 계면 (30) 에 첨가 원소 (Ge) 가 농축된 첨가 원소 고농도부가 관찰된다.
이 첨가 원소 고농도부에 있어서는, 첨가 원소의 농도 (Ge 농도) 가, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 중의 첨가 원소의 농도 (Ge 농도) 의 2 배 이상으로 되어 있다. 또한, 이 첨가 원소 고농도부의 두께 (H) 는 4 ㎚ 이하로 되어 있다.
또한, 첨가 원소 고농도부에 있어서는, 산소 농도가, 세라믹스 기판 (11) 중의 산소 농도보다 높다.
여기서, 첨가 원소의 농도 (Ge 농도) 는, 제 1 실시형태에 있어서의 Ag 농도 와 동일하게 정의되고, 산소 농도도, 제 1 실시형태에 있어서의 것과 동일하다.
이 접합 계면 (30) 을 에너지 분산형 X 선 분석법 (EDS) 으로 분석했을 때의 Al, 첨가 원소 (Ge), O, N 의 질량비가, Al : 첨가 원소 (Ge) : O : N = 50 ∼ 90 질량％ : 1 ∼ 30 질량％ : 1 ∼ 10 질량％ : 25 질량％ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, EDS 에 의한 분석의 조건은, 제 1 실시형태와 동일하다.
이 파워 모듈용 기판 (1) 은, 제 1 실시형태와 동일한 방법에 의해 제조된다. 단, 고착 공정에서는, 금속판 (22, 23) 의 각각의 접합면에, 스퍼터링에 의해 0.01 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하의 첨가 원소 (Ge) 를 고착시킨다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태에 있어서는, Ge 는, 알루미늄의 융점을 강하시키는 원소이기 때문에, 비교적 저온 조건에서 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 용융 금속 영역을 형성할 수 있다.
또한, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 이, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건으로 접합해도, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 을 강고하게 접합하는 것이 가능해진다.
또, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 접합 계면 (30) 에 있어서는, Ge 에 의해 고용 강화되어, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 에 있어서의 균열의 발생을 방지할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 되는 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면 (30) 에, 첨가 원소 (Ge) 가 농축된 첨가 원소 고농도부가 형성되어 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 접합 강도의 향상을 도모하는 것이 가능해진다. 또, 이 첨가 원소 고농도부의 두께가 4 ㎚ 이하로 되어 있으므로, 열사이클을 부하했을 때의 응력에 의해 첨가 원소 고농도부에 크랙이 발생하는 것이 억제된다.
또한, 본 실시형태에서는, 접합 계면 (30) 이, Al : 첨가 원소 (Ge) : O : N = 50 ∼ 90 질량％ : 1 ∼ 30 질량％ : 1 ∼ 10 질량％ : 25 질량％ 이하로 되어 있으므로, 접합 계면 (30) 에 첨가 원소가 과잉하게 존재하여 접합을 저해하는 것을 방지할 수 있다. 첨가 원소 원자 (Ge 원자) 에 의한 접합 강도의 향상 효과를 충분히 이룰 수 있다. 또, 접합 계면 (30) 에 산소 농도가 높은 부분이 두껍게 존재하는 것이 방지되어, 열사이클을 부하했을 때의 크랙의 발생을 억제할 수 있다.
또, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 계면에 용융 금속 영역을 형성하는 구성으로 하고 있으므로, Al-Si 계의 납재박을 사용할 필요가 없어, 저비용으로, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 이 확실하게 접합된 파워 모듈용 기판 (10) 을 제조할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, Ge 량을 0.01 ㎎/㎠ 이상으로 하고 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 계면에, 용융 금속 영역을 확실하게 형성할 수 있다.
또한, Ge 량을 10 ㎎/㎠ 이하로 하고 있으므로, 첨가 원소 (Ge) 가 과잉하게 금속판 (22, 23) 을 향하여 확산되어 계면 근방의 금속판 (22, 23) 의 강도가 과잉하게 높아지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 파워 모듈용 기판 (10) 에 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 열응력을 회로층 (12), 금속층 (13) 에서 흡수할 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 의 균열 등을 방지할 수 있다.
또, 납재박의 위치 맞춤 작업 등을 실시할 필요가 없어, 이 파워 모듈용 기판 (10) 을 효율적으로 제출하는 것이 가능해진다.
게다가, 금속판 (22, 23) 의 접합면에 고착층 (24, 25) 을 형성하고 있으므로, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 개재되는 산화 피막은, 금속판 (22, 23) 의 표면에만 존재하게 되기 때문에, 초기 접합의 수율을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 7 실시형태에 대해 도 7 및 도 28 을 참조하여 설명한다.
제 7 실시형태에 관련된 파워 모듈은, 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 에 고용되어 있는 첨가 원소가 상이한 것 이외에는, 제 2 실시형태와 동일하다. 이 때문에, 공통되는 부분의 설명을 생략하고, 도 7 및 그 부호를 이용하여 차이점을 설명한다.
제 7 실시형태에 관련된 파워 모듈 (101) 에서는, 도 7 에 있어서, 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 에, Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가, 합계 농도가 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내에서 고용되어 있다.
상세히 서술하면, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 접합 계면 (130) 근방에는, 접합 계면 (130) 으로부터 적층 방향으로 이간됨에 따라 점차 첨가 원소 농도가 저하되는 농도 경사층 (133) 이 형성되어 있다.
여기서, 본 실시형태에서는, Mg 를 첨가 원소로서 사용하고 있고, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 접합 계면 (130) 근방의 Mg 농도가 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하로 되어 있다. 도 28 에, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 첨가 원소 (Mg) 의 농도 분포를 나타낸다.
또, 접합 계면 (130) 에 첨가 원소 (Mg) 가 농축된 첨가 원소 고농도부가 관찰된다. 이 첨가 원소 고농도부에 있어서는, 첨가 원소의 농도 (Mg 농도) 가, 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 중의 첨가 원소의 농도 (Mg 농도) 의 2 배 이상으로 되어 있다. 또한, 이 첨가 원소 고농도부의 두께 (H) 는 4 ㎚ 이하로 되어 있다.
또, 이 접합 계면 (130) 을 에너지 분산형 X 선 분석법 (EDS) 으로 분석했을 때의 Al, 첨가 원소 (Mg), O 의 질량비가, Al : 첨가 원소 (Mg) : O = 50 ∼ 90 질량％ : 1 ∼ 30 질량％ : 45 질량％ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, EDS 에 의한 분석의 조건은, 제 2 실시형태와 동일하다.
이 파워 모듈용 기판은, 제 2 실시형태와 동일한 방법에 의해 제조된다. 단, Ag 페이스트 도포 공정 대신에, 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면 및 타방의 면에, 증착에 의해 0.01 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하의 첨가 원소 (Mg) 를 고착시킨다. 또, 가열 공정에서의 가열 온도를 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하로 하였다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면 및 타방의 면에 고착된 Mg 를 금속판 (122, 123) 을 향하여 확산시키는 것에 의해 접합되어 있으므로, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건으로 접합해도, 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122, 123) 을 강고하게 접합하는 것이 가능해진다.
또, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 접합 계면 (130) 에 있어서는, Mg 가 고용 강화되어, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 에 있어서의 균열의 발생을 방지할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 첨가 원소 (Mg) 가 농축된 첨가 원소 고농도부가 형성되어 있으므로, 계면 근방에 존재하는 첨가 원소 원자 (Mg 원자) 에 의해, 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122, 123) 의 접합 강도의 향상을 도모하는 것이 가능해진다. 또, 이 첨가 원소 고농도부의 두께가 4 ㎚ 이하로 되어 있으므로, 열사이클을 부하했을 때의 응력에 의해 첨가 원소 고농도부에 크랙이 발생하는 것이 억제된다.
또한, 본 실시형태에서는, 접합 계면 (130) 을 Al : 첨가 원소 (Mg) : O = 50 ∼ 90 질량％ : 1 ∼ 30 질량％ : 45 질량％ 이하로 되어 있으므로, 접합 계면 (130) 에, Al 과 첨가 원소 (Mg) 의 반응물이 과잉하게 생성되어 접합을 저해하는 것을 방지할 수 있다. 또, 첨가 원소 원자 (Mg 원자) 에 의한 접합 강도의 향상 효과를 충분히 이룰 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 8 실시형태에 대해, 도 12 및 도 29 를 참조하여 설명한다.
제 8 실시형태에 관련된 파워 모듈은, 회로층 (212) (금속판 (222)) 및 금속층 (213) (금속판 (223)) 에 고용되어 있는 첨가 원소가 상이한 것 이외에는, 제 3 실시형태와 동일하다. 이 때문에, 공통되는 부분의 설명을 생략하고, 도 12 및 그 부호를 이용하여 차이점을 설명한다.
제 8 실시형태에 관련된 파워 모듈 (201) 에서는, 도 12 에 있어서, 회로층 (212) (금속판 (222)) 및 금속층 (213) (금속판 (223)) 에, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가, 합계 농도가 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내에서 고용되어 있다.
상세히 서술하면, 회로층 (212) 및 금속층 (213) 의 접합 계면 (230) 근방에는, 접합 계면 (230) 으로부터 적층 방향으로 이간됨에 따라 점차 첨가 원소 농도가 저하되는 농도 경사층 (233) 이 형성되어 있다.
본 실시형태에서는, Zn 을 첨가 원소로서 사용하고 있고, 회로층 (212) 및 금속층 (213) 의 접합 계면 (230) 근방의 Zn 농도가 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하로 되어 있다. 도 29 에, 회로층 (212) 및 금속층 (213) 의 첨가 원소 (Zn) 의 농도 분포를 나타낸다.
또, 접합 계면 (230) 에 첨가 원소 (Zn) 가 농축된 첨가 원소 고농도부가 관찰된다. 이 첨가 원소 고농도부에 있어서는, 첨가 원소 농도 (Zn 농도) 가, 회로층 (212) (금속판 (222)) 및 금속층 (213) (금속판 (223)) 중의 첨가 원소 농도 (Zn 농도) 의 2 배 이상으로 되어 있다. 이 첨가 원소 고농도부의 두께 (H) 는 4 ㎚ 이하로 되어 있다.
이 첨가 원소 고농도부의 산소 농도는, 세라믹스 기판 (211) 중의 산소 농도보다 높다.
여기서, 첨가 원소의 농도 (Zn 농도) 는, 제 3 실시형태에 있어서의 Ag 농도 와 동일하게 정의되고, 산소 농도도, 제 3 실시형태에 있어서의 것과 동일하다.
또, 이 접합 계면 (230) 을 에너지 분산형 X 선 분석법 (EDS) 으로 분석했을 때의 Al, Si, 첨가 원소 (Zn), O, N 의 질량비가, Al : Si : 첨가 원소 (Zn) : O : N = 15 ∼ 45 질량％ : 15 ∼ 45 질량％ : 1 ∼ 30 질량％ : 1 ∼ 10 질량％ : 25 질량％ 이하로 되어 있다. 또한, EDS 에 의한 분석의 조건은, 제 3 실시형태와 동일하다.
이 파워 모듈용 기판 (210) 은, 제 3 실시형태와 동일한 방법에 의해 제조된다. 단, 본 실시형태에서는, Ag 페이스트 소성 공정 대신 금속판 (222, 223) 의 표면에, 도금에 의해 0.01 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하의 첨가 원소 (Zn) 를 고착시킨다 (도금 공정). 또, 가열 공정에서의 가열 온도를 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하로 하였다. 또한, 도금의 두께는 1 ㎛ ∼ 5 ㎛ 의 범위 내로 되어 있다.
또, 히트싱크 적층 공정에서는, 금속층 (213) 과 천판부 (241) 사이에 첨가 원소 (Zn) 를 함유하는 고착층을 개재시킨다. 본 실시형태에서는, 고착층은, 금속층 (213) 의 타방의 면에 스퍼터나 도금을 실시함으로써 형성되어 있다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 및 파워 모듈 (201) 에 있어서는, 도금된 첨가 원소 (Zn) 를 금속판 (222, 223) 측으로 확산시키는 것에 의해 접합되어 있으므로, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건으로 접합해도, 세라믹스 기판 (211) 과 금속판 (222, 223) 을 강고하게 접합하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태에서는, 첨가 원소 (Zn) 가 농축된 첨가 원소 고농도부가 형성되어 있으므로, 계면 근방에 존재하는 첨가 원소 원자 (Zn 원자) 에 의해, 세라믹스 기판 (211) 과 금속판 (222, 223) 의 접합 강도의 향상을 도모하는 것이 가능해진다. 또, 이 첨가 원소 고농도부의 두께가 4 ㎚ 이하로 되어 있으므로, 열사이클을 부하했을 때의 응력에 의해 첨가 원소 고농도부에 크랙이 발생하는 것이 억제된다.
또한, 본 실시형태에서는, 접합 계면 (230) 이, Al : Si : 첨가 원소 (Zn) : O : N = 15 ∼ 45 질량％ : 15 ∼ 45 질량％ : 1 ∼ 30 질량％ : 1 ∼ 10 질량％ : 25 질량％ 이하로 되어 있으므로, 접합 계면 (230) 에, Al 과 첨가 원소 (Zn) 의 반응물이 과잉하게 생성되어 접합을 저해하는 것을 방지할 수 있음과 함께, 첨가 원소 원자 (Zn 원자) 에 의한 접합 강도의 향상 효과를 충분히 이룰 수 있다. 또, 접합 계면 (230) 에 산소 농도가 높은 부분이 두껍게 존재하는 것이 방지되어 열사이클을 부하했을 때의 크랙의 발생을 억제할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 금속판 (222, 223) 에 도금에 의해 첨가 원소 (Zn) 를 고착시키고 있으므로, 세라믹스 기판 (211) 과 금속판 (222, 223) 사이에 첨가 원소 (Zn) 를 확실하게 개재시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 9 실시형태에 대해, 도 18 및 도 30 을 참조하여 설명한다.
제 9 실시형태에 관련된 파워 모듈은, 금속층 (313) (제 2 금속판 (323)) 및 히트싱크 (340) 에 고용되어 있는 첨가 원소가 상이한 것 이외에는, 제 4 실시형태와 동일하다. 이 때문에, 공통되는 부분의 설명을 생략하고, 도 18 및 그 부호를 이용하여 차이점을 설명한다.
제 9 실시형태에 관련된 파워 모듈 (301) 에서는, 도 18 에 있어서, 금속층 (313) (제 2 금속판 (323)) 및 히트싱크 (340) 에, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가, 합계 농도가 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내에서 고용되어 있다.
상세히 서술하면, 금속층 (313) 과 히트싱크 (340) 의 접합 계면 (330) 근방에는, 접합 계면 (330) 으로부터 적층 방향으로 이간됨에 따라 점차 첨가 원소 농도가 저하되는 농도 경사층 (333, 334) 이 형성되어 있다.
여기서, 본 실시형태에서는, Ge 를 첨가 원소로서 사용하고 있고, 금속층 (313) 과 히트싱크 (340) 의 접합 계면 (330) 근방의 Ge 농도가 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하로 되어 있다. 도 30 에, 금속층 (313) 및 히트싱크 (340) 의 첨가 원소 (Ge) 의 농도 분포를 나타낸다.
이 구성의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 제 4 실시형태와 마찬가지로, 세라믹스 기판 (311) 과 금속판 (322, 323) 의 접합과, 금속판 (323) 과 히트싱크 (340) 의 접합을 동시에 실시하는 것에 의해 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태에 있어서는, Ge 가 알루미늄의 융점을 강하시키는 원소이기 때문에, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건으로 접합해도, 히트싱크 (340) 와 제 2 금속판 (323) 을 강고하게 접합하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태에서는, 접합 계면에 Ge 가 개재되어 있으므로, 세라믹스 기판 (311) 과 제 1 금속판 (322), 세라믹스 기판 (311) 과 제 2 금속판 (323) 을 강고하게 접합하는 것이 가능해진다.
또한, 히트싱크 (340) 와 제 2 금속판 (323) 의 접합, 및 세라믹스 기판 (311) 과 제 1 금속판 (322) 및 제 2 금속판 (323) 의 접합에, 납재박을 사용하고 있지 않기 때문에, 납재박의 위치 맞춤 작업 등을 실시할 필요가 없다. 따라서, 본 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 저비용으로 효율적으로 제출하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (311) 과 제 1 금속판 (322) 및 제 2 금속판 (323) 의 접합과, 제 2 금속판 (323) 과 히트싱크 (340) 의 접합을 동시에 실시하는 구성으로 하고 있으므로, 이들의 접합에 드는 비용을 대폭 삭감할 수 있다. 또, 세라믹스 기판 (311) 에 대해 반복 가열, 냉각을 실시하지 않아도 되므로, 이 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 휨의 저감을 도모할 수 있어, 고품질의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 제출할 수 있다.
또, 본 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 있어서는, 첨가 원소인 Ge 에 의해 고용 강화되어, 제 2 금속판 (323) (금속층 (313)) 및 히트싱크 (340) 에 있어서의 균열의 발생을 방지할 수 있다. 따라서, 신뢰성이 높은 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 제공할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했는데, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
예를 들어, 회로층 및 금속층을 구성하는 금속판을 순도 99.99 ％ 의 순알루미늄의 압연판으로 한 것으로서 설명했는데, 이것에 한정되지 않고, 순도 99 ％ 이상인 알루미늄 (2 N 알루미늄) 이나 알루미늄 합금이어도 된다.
또, 첨가 원소로서 Ag, Ge, Mg, Zn 을 사용하는 것으로 설명했는데, 이것에 한정되지 않고, Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 사용해도 된다.
또한, 스퍼터, 페이스트의 도포, 도금에 의해 첨가 원소를 고착시키는 것으로 설명했는데, 이것에 한정되지 않고, 증착, CVD, 콜드 스프레이, 또는 분말이 분산되어 있는 잉크의 도포에 의해, 상기 첨가 원소를 고착시켜도 된다.
또, Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 과 함께 Al 을 고착시켜도 된다. 특히, 첨가 원소로서 Mg, Ca, Li 등의 산화 활성 원소를 사용하는 경우에는, Al 과 함께 고착시키는 것에 의해, 이들 원소의 산화를 방지하는 것이 가능해진다.
또한, 히트싱크를 알루미늄으로 구성한 것으로 설명했는데, 알루미늄 합금, 또는 알루미늄을 함유하는 복합재 등으로 구성되어 있어도 된다. 또한, 히트싱크로서 냉각 매체의 유로를 갖는 것으로 설명했는데, 히트싱크의 구조에 특별히 한정은 없고, 여러 가지 구성의 히트싱크를 사용할 수 있다.
또한, 도 31 에 나타내는 바와 같이, 금속층 (1013) 을 복수의 금속판 (1013A, 1013B) 을 적층한 구조로 해도 된다. 이 경우, 금속층 (1013) 중 일방측 (도 31 에 있어서 상측) 에 위치하는 금속판 (1013A) 이 세라믹스 기판 (1011) 에 접합되고, 타방측 (도 31 에 있어서 하측) 에 위치하는 금속판 (1013B) 이 히트싱크 (1040) 의 천판부 (1041) 에 접합되게 된다. 그리고, 타방측에 위치하는 금속판 (1013B) 과 히트싱크 (1040) 의 천판부 (1041) 사이에, Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 개재시킴으로써, 타방측에 위치하는 금속판 (1013B) 과 히트싱크 (1040) 의 천판부 (1041) 가 접합되어 있는 것이다. 여기서, 적층된 금속판 (1013A, 1013B) 끼리를 상기 첨가 원소를 개재시켜 접합하여 금속층 (1013) 을 구성해도 된다. 또한, 도 31 에서는, 2 장의 금속판 (1013A, 1013B) 을 적층시킨 것으로 하고 있는데, 적층하는 장 수에 제한은 없다. 또, 적층하는 금속판끼리의 크기, 형상이 상이해도 되고, 동일한 크기, 형상으로 조정된 것이어도 된다. 또한, 이들 금속판의 조성이 상이해도 된다.
실시예
(실시예 1)
본 발명의 유효성을 확인하기 위해서 실시한 비교 실험에 대해 설명한다.
두께 0.635 ㎜ 의 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판에, 두께 0.6 ㎜ 의 4N 알루미늄으로 이루어지는 회로층과, 두께 0.6 ㎜ 의 4N 알루미늄으로 이루어지는 금속층을 접합하여, 파워 모듈용 기판을 제작하였다.
여기서, 회로층 및 금속층이 되는 알루미늄판 (4N 알루미늄) 의 접합면에, Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜 고착층을 형성하고, 금속판과 세라믹스 기판을 적층하여 가압 가열 (온도 : 650 ℃, 압력 : 4 kgf/㎠, 시간 : 30 분) 하여, 금속판과 세라믹스 기판을 접합하였다.
그리고, 고착되는 첨가 원소를 변경한 여러 가지의 시험편을 제출하여, 접합 계면 근방 (접합 계면으로부터 50 ㎛ 의 위치) 에 있어서의 첨가 원소의 농도를 EPMA 분석하였다. 또, 이들 시험편을 사용하여 접합 신뢰성의 평가를 실시하였다. 접합 신뢰성의 평가로는, 냉열 사이클 (-45 ℃ ∼ 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후의 접합률을 비교하였다. 결과를 표 1 에 나타낸다. 또한, 접합률은, 이하의 식으로 산출하였다. 여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적으로 하였다.
접합률 = (초기 접합 면적-박리 면적)/초기 접합 면적
Figure 112012030786348-pct00001
Ag 의 고착량이 11 ㎎/㎠ 으로 된 비교예 1 에서는, 접합 계면 근방에서의 Ag 농도가 10 질량％ 를 초과하고 있고, 냉열 사이클 (-45 ℃ ∼ 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후의 접합률이 67.7 ％ 였다. 이것은, Ag 의 양이 많아 금속판이 지나치게 딱딱해져, 냉열 사이클에 의한 열응력이 접합 계면에 부하되었기 때문으로 추측된다.
또, Ag 의 고착량이 0.009 ㎎/㎠ 으로 된 비교예 2 에서는, 접합 계면 근방에서의 Ag 농도가 0.05 질량％ 미만이며, 냉열 사이클 (-45 ℃ ∼ 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후의 접합률이 60.1 ％ 였다. 이것은, 계면에 개재되는 Ag 량이 적어, 금속판과 세라믹스 기판의 계면에 용융 금속 영역을 충분히 형성할 수 없었기 때문으로 판단된다.
이에 대하여, 본 발명예 1-36 에 있어서는, 접합 계면 근방에서의 Ag 농도 혹은 Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소의 농도의 합계가, 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하로 되어 있고, 냉열 사이클 (-45 ℃ ∼ 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후의 접합률이 모두 70 ％ 이상이었다. 각종 첨가 원소의 확산에 의해, 금속판과 세라믹스 기판의 계면에 용융 금속 영역을 확실하게 형성하는 것이 가능해져, 금속판과 세라믹스 기판을 강고하게 접합할 수 있었던 것으로 판단된다.
(실시예 2)
본 발명의 유효성을 확인하기 위해서 실시한 비교 실험에 대해 설명한다.
두께 0.635 ㎜ 의 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판에, 두께 0.6 ㎜ 의 4N 알루미늄으로 이루어지는 회로층과, 두께 0.6 ㎜ 의 4N 알루미늄으로 이루어지는 금속층을 접합하여, 파워 모듈용 기판을 제작하였다.
여기서, 회로층 및 금속층이 되는 알루미늄판 (4N 알루미늄) 의 접합면에, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜 고착층을 형성하고, 금속판과 세라믹스 기판을 적층하여 가압 가열 (온도 : 650 ℃, 압력 : 4 kgf/㎠, 시간 : 30 분) 하여, 금속판과 세라믹스 기판을 접합하였다.
그리고, 고착되는 첨가 원소를 변경한 여러 가지의 시험편을 제출하여, 접합 계면 근방 (접합 계면으로부터 50 ㎛ 의 위치) 에 있어서의 첨가 원소의 농도를 EPMA 분석하였다. 또, 이들 시험편을 사용하여 접합 신뢰성의 평가를 실시하였다. 접합 신뢰성의 평가로는, 냉열 사이클 (-45 ℃ ∼ 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후의 접합률을 비교하였다. 결과를 표 2, 표 3 에 나타낸다. 또한, 접합률은, 이하의 식으로 산출하였다. 여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적으로 하였다.
접합률 = (초기 접합 면적-박리 면적)/초기 접합 면적
Figure 112012030786348-pct00002
Figure 112012030786348-pct00003
고착층의 Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소의 고착량이 합계로 10.35 ㎎/㎠ 으로 된 비교예 11 에서는, 냉열 사이클 (-45 ℃ ∼ 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후의 접합률이 65.9 ％ 였다. 이것은, 첨가 원소의 양이 많아 금속판이 지나치게 딱딱해져, 냉열 사이클에 의한 열응력이 접합 계면에 부하되었기 때문으로 추측된다.
고착층의 첨가 원소의 고착량이 0.009 ㎎/㎠ 으로 된 비교예 12 에서는, 냉열 사이클 (-45 ℃ ∼ 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후의 접합률이 59.8 ％ 였다. 이것은, 계면에 개재되는 첨가 원소량이 적어, 금속판과 세라믹스 기판의 계면에 용융 금속 영역을 충분히 형성할 수 없었기 때문으로 판단된다.
이에 대하여, 본 발명예 41-83 에 있어서는, 냉열 사이클 (-45 ℃ ∼ 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후의 접합률이 모두 70 ％ 이상이었다. 각종 첨가 원소의 확산에 의해, 금속판과 세라믹스 기판의 계면에 용융 금속 영역을 확실하게 형성하는 것이 가능해져, 금속판과 세라믹스 기판을 강고하게 접합할 수 있었던 것으로 판단된다.
산업상 이용가능성
본 발명에 의하면, 금속판의 접합 계면측 부분을 고용 강화시킴으로써, 금속판 부분에서의 파단을 방지할 수 있어, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
1, 101, 201, 301, 401, 1001 파워 모듈
3 반도체 칩 (전자 부품)
10, 110, 210, 310, 410, 1010 파워 모듈용 기판
11, 111, 211, 311, 411, 1011 세라믹스 기판
12, 112, 212, 312, 412, 1012 회로층
13, 113, 213, 313, 413, 1013 금속층
22, 122, 222, 322, 422 금속판 (제 1 금속판)
23, 123, 223, 323, 423 금속판 (제 2 금속판)

Claims (16)

  1. 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 표면에 적층되어 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속판을 구비한 파워 모듈용 기판으로서,
    상기 금속판에는, Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있고,
    상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면으로부터 50 ㎛ 의 위치에서의 Ag 농도가 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하, 또는 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면으로부터 50 ㎛ 의 위치에서의 Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 의 농도의 합계가 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하로 되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속판에는, Ag 에 추가로, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소가 고용되어 있고, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면으로부터 50 ㎛ 의 위치에서의 Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 의 농도의 합계가 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하로 되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판이 AlN 또는 Si3N4 로 구성되어 있고, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에, 산소 농도가 상기 세라믹스 기판의 결정립 내의 산소 농도의 2 배 이상이 된 산소 고농도부가 형성되어 있고, 상기 산소 고농도부의 두께가 4 ㎚ 이하로 되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에는, 상기 첨가 원소의 농도가, 상기 금속판 중의 상기 첨가 원소의 농도의 2 배 이상이 된 첨가 원소 고농도부가 형성되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판이 AlN 으로 구성되어 있고,
    상기 첨가 원소 고농도부를 포함하는 상기 접합 계면을 에너지 분산형 X 선 분석법으로 분석한 Al, 상기 첨가 원소, O, N 의 질량비가, Al : 첨가 원소 : O : N = 50 ∼ 90 질량％ : 1 ∼ 30 질량％ : 1 ∼ 10 질량％ : 25 질량％ 이하로 되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판이 Si3N4 로 구성되어 있고,
    상기 첨가 원소 고농도부를 포함하는 상기 접합 계면을 에너지 분산형 X 선 분석법으로 분석한 Al, Si, 상기 첨가 원소, O, N 의 질량비가, Al : Si : 첨가 원소 : O : N = 15 ∼ 45 질량％ : 15 ∼ 45 질량％ : 1 ∼ 30 질량％ : 1 ∼ 10 질량％ : 25 질량％ 이하로 되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판이 Al2O3 으로 구성되어 있고,
    상기 첨가 원소 고농도부를 포함하는 상기 접합 계면을 에너지 분산형 X 선 분석법으로 분석한 Al, 상기 첨가 원소, O 의 질량비가, Al : 첨가 원소 : O = 50 ∼ 90 질량％ : 1 ∼ 30 질량％ : 45 질량％ 이하로 되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 이 파워 모듈용 기판을 냉각시키는 히트싱크를 구비한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판으로서,
    상기 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 표면에 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 1 금속판과, 상기 세라믹스 기판의 타방의 표면에 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 2 금속판과, 상기 제 2 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 접합면과는 반대측의 면에 접합된 히트싱크를 갖고,
    상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크에는, Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있고,
    상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크의 계면으로부터 50 ㎛ 의 위치에서의 Ag 농도가 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하, 또는 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크의 계면으로부터 50 ㎛ 의 위치에서의 Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 의 농도의 합계가 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하로 되어 있는, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크에는, Ag 에 추가로, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소가 고용되어 있고, 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크의 계면으로부터 50 ㎛ 의 위치에서의 Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 의 농도의 합계가 0.05 질량％ 이상 10 질량％ 이하로 되어 있는, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 상기 파워 모듈용 기판 상에 탑재되는 전자 부품을 구비한 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  11. 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 표면에 적층되어 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속판을 구비한 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에, Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시키고, 이 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성하는 고착 공정과,
    상기 고착층을 개재하여 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 적층하는 적층 공정과,
    적층된 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 적층 방향으로 가압함과 함께 가열하여, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 형성하는 가열 공정과,
    이 용융 금속 영역을 응고시키는 것에 의해, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 접합하는 응고 공정을 갖고,
    상기 적층 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에, 상기 첨가 원소를 0.01 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하의 범위 내에서 개재시켜,
    상기 가열 공정에 있어서, 상기 용융 금속 영역이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지하고, 상기 첨가 원소를 상기 금속판을 향하여 확산시키고, 상기 응고 공정에 있어서, 상기 용융 금속 영역이었던 부분의 상기 첨가 원소의 농도가 서서히 저하되어 융점이 상승하고, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 가는 확산 접합을 이용함으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에, 상기 용융 금속 영역을 형성하는, 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 고착 공정에서는, 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시키는, 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 고착 공정은, Ag 페이스트를 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 도포함으로써 상기 고착층을 형성하는, 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  14. 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 표면에 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 1 금속판과, 상기 세라믹스 기판의 타방의 표면에 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 2 금속판과, 상기 제 2 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 접합면과는 반대측의 면에 접합된 히트싱크를 구비한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 세라믹스 기판과 상기 제 1 금속판, 및 상기 세라믹스 기판과 상기 제 2 금속판을 접합하는 세라믹스 기판 접합 공정과,
    상기 제 2 금속판의 일면에 상기 히트싱크를 접합하는 히트싱크 접합 공정을 갖고,
    상기 히트싱크 접합 공정은,
    상기 제 2 금속판의 접합면 및 상기 히트싱크의 접합면 중 적어도 일방에, Ag, Zn, Ge, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜 첨가 원소층을 형성하는 첨가 원소층 형성 공정과,
    상기 첨가 원소층을 개재하여 상기 제 2 금속판과 상기 히트싱크를 적층하는 히트싱크 적층 공정과,
    적층된 상기 제 2 금속판과 상기 히트싱크를 적층 방향으로 가압함과 함께 가열하여, 상기 제 2 금속판과 상기 히트싱크의 계면에 용융 금속 영역을 형성하는 히트싱크 가열 공정과,
    이 용융 금속 영역을 응고시키는 것에 의해, 상기 제 2 금속판과 상기 히트싱크를 접합하는 용융 금속 응고 공정을 갖고,
    상기 히트싱크 가열 공정에 있어서, 상기 용융 금속 영역이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지하고, 상기 첨가 원소층의 첨가 원소를 상기 제 2 금속판 및 상기 히트싱크를 향하여 확산시키고, 상기 응고 공정에 있어서, 상기 용융 금속 영역이었던 부분의 상기 첨가 원소의 농도가 서서히 저하되어 융점이 상승하고, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 가는 확산 접합을 이용함으로써, 상기 제 2 금속판과 상기 히트싱크의 계면에, 상기 용융 금속 영역을 형성하는, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판 접합 공정과, 상기 히트싱크 접합 공정을 동시에 실시하는, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 첨가 원소층 형성 공정에서는, 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시키는, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
KR1020127009953A 2009-10-22 2010-10-19 파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 KR101709370B1 (ko)

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