KR101758586B1 - 구리/세라믹스 접합체 및 파워 모듈용 기판 - Google Patents

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Abstract

구리/세라믹스 접합체는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재 (22) 와, 질화물 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재 (11) 가 접합된 구리/세라믹스 접합체로서, 구리 부재 (22) 와 세라믹스 부재 (11) 의 접합 계면에는, 활성 원소와 산소를 함유하는 활성 원소 산화물층 (30) 이 형성되어 있고, 이 활성 원소 산화물층 (30) 의 두께 (t) 가 5 nm 이상 220 nm 이하의 범위 내로 되어 있다.

Description

구리/세라믹스 접합체 및 파워 모듈용 기판{COPPER/CERAMIC BOND AND POWER MODULE SUBSTRATE}
본 발명은, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와 세라믹스 부재가 접합되어 이루어지는 구리/세라믹스 접합체, 이 구리/세라믹스 접합체로 이루어지는 파워 모듈용 기판에 관한 것이다.
본원은, 2014 년 2 월 12 일에, 일본에 출원된 일본 특허출원 2014-024410호, 2014 년 3 월 14 일에, 일본에 출원된 일본 특허출원 2014-052594호, 및 2014 년 7 월 2 일에, 일본에 출원된 일본 특허출원 2014-136567호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
LED 나 파워 모듈 등의 반도체 장치에 있어서는, 도전 재료로 이루어지는 회로층 상에 반도체 소자가 접합된 구조로 되어 있다.
풍력 발전, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등을 제어하기 위해서 사용되는 대전력 제어용의 파워 반도체 소자에 있어서는, 발열량이 많은 점에서, 이것을 탑재하는 기판으로서는, 예를 들어 AlN (질화알루미늄), Al2O3 (알루미나) 등으로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 도전성이 우수한 금속판을 접합하여 형성한 회로층을 구비한 파워 모듈용 기판이, 종래부터 널리 사용되고 있다. 또한, 파워 모듈용 기판으로서는, 세라믹스 기판의 타방의 면에 금속판을 접합하여 금속층이 형성된 것도 제공되고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에는, 회로층 및 금속층을 구성하는 제 1 금속판 및 제 2 금속판을 구리판으로 하고, 이 구리판을 DBC (Direct Bonding Copper) 법에 의해 세라믹스 기판에 직접 접합한 파워 모듈용 기판이 제안되어 있다. 이 DBC 법에 있어서는, 구리와 구리 산화물의 공정 반응을 이용함으로써, 구리판과 세라믹스 기판의 계면에 액상을 생성시켜, 구리판과 세라믹스 기판을 접합하고 있다.
또, 특허문헌 2 에는, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, 구리판을 접합함으로써 회로층 및 금속층을 형성한 파워 모듈용 기판이 제안되어 있다. 이 파워 모듈용 기판에 있어서는, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, Ag-Cu-Ti 계 브레이징재 (brazing filler materials) 를 개재시켜 구리판을 배치하고, 가열 처리를 실시함으로써 구리판이 접합되어 있다 (이른바 활성 금속 브레이징법). 이 활성 금속 브레이징법에서는, 활성 금속인 Ti 가 함유된 브레이징재를 사용하고 있기 때문에, 용융된 브레이징재와 세라믹스 기판의 젖음성이 향상되고, 세라믹스 기판과 구리판이 양호하게 접합되게 된다.
일본 공개특허공보 평04-162756호 일본 특허공보 제3211856호
그러나, 특허문헌 1 에 개시되어 있는 바와 같이, DBC 법에 의해 세라믹스 기판과 구리판을 접합하는 경우에는, 접합 온도를 1065 ℃ 이상 (구리와 구리 산화물의 공정점 온도 이상) 으로 할 필요가 있는 점에서, 접합 시에 세라믹스 기판이 열화되어 버릴 우려가 있었다.
또, 특허문헌 2 에 개시되어 있는 바와 같이, 활성 금속 브레이징법에 의해 세라믹스 기판과 구리판을 접합하는 경우에는, 접합 온도가 900 ℃ 로 비교적 고온으로 되어 있는 점에서, 역시, 세라믹스 기판이 열화되어 버린다는 문제가 있었다. 여기서, 접합 온도를 저하시키면, 브레이징재가 세라믹스 기판과 충분히 반응하지 않아, 세라믹스 기판과 구리판의 계면에서의 접합률이 저하되어 버려, 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판을 제공할 수 없게 된다.
또한, 활성 금속 브레이징법에서는, 세라믹스 기판과 구리판의 접합 계면에 TiN 층이 형성된다. 이 TiN 층은 단단해 깨지기 쉽기 때문에, 냉열 사이클 부하 시에 세라믹스 기판에 균열이 발생할 우려가 있었다.
또한, 활성 금속 브레이징법에 의해, 알루미나로 이루어지는 세라믹스 기판과 구리판을 접합한 경우에는, 세라믹스 기판과 구리판의 접합 계면에 Ti 산화물층이 두껍게 형성된다. 이 Ti 산화물층은 단단해 깨지기 쉽기 때문에, 냉열 사이클 부하 시에 세라믹스 기판에 균열이 발생할 우려가 있었다.
본 발명의 제 1 양태는, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와 질화물 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재가 확실하게 접합된 구리/세라믹스 접합체, 및 이 구리/세라믹스 접합체로 이루어지는 파워 모듈용 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제 2 양태는, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와 알루미나로 이루어지는 세라믹스 부재가 확실하게 접합된 구리/세라믹스 접합체, 및 이 구리/세라믹스 접합체로 이루어지는 파워 모듈용 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
［제 1 양태］
이와 같은 과제를 해결하고, 상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제 1 양태의 구리/세라믹스 접합체는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 질화물 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재가 접합된 구리/세라믹스 접합체로서, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면에는, 활성 원소와 산소를 함유하는 활성 원소 산화물층이 형성되어 있고, 이 활성 원소 산화물층의 두께가 5 nm 이상 220 nm 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와 질화물 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재의 접합 계면에, 활성 원소와 산소를 함유하는 활성 원소 산화물층이 형성된 구조로 되어 있다. 그리고, 제 1 양태에서는, 이 활성 원소 산화물층의 두께가 5 nm 이상으로 되어 있으므로, 세라믹스 부재와 구리 부재가 확실하게 접합되어, 접합 강도를 확보하는 것이 가능해진다. 한편, 활성 원소 산화물층의 두께가 220 nm 이하로 되어 있으므로, 비교적 단단해 깨지기 쉬운 활성 원소 산화물층의 두께가 얇고, 예를 들어 냉열 사이클 부하 시의 열 응력에 의해 세라믹스 부재에 균열이 생기는 것을 억제할 수 있다.
여기서, 활성 원소를 개재시켜 구리 부재와 질화물 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재를 고온 유지의 조건에서 접합한 경우, 활성 원소와 질화물 세라믹스의 질소가 반응하여, 질화물층이 형성되게 된다. 제 1 양태에서는, 저온의 조건에서 구리 부재와 질화물 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재를 접합함으로써, 질화물층 대신에 활성 원소 산화물층을 형성하는 것이 가능해진다. 또, 상기 서술한 활성 원소 산화물층은, 구리 부재와 세라믹스 부재의 사이에 개재되는 활성 원소와, 구리 부재나 세라믹스 부재의 표면에 형성된 산화물이나 접합재에 포함되는 산소가 반응함으로써 형성된다.
또한, 제 1 양태에 있어서는, 활성 원소로서 Ti, Zr, Hf, Nb 등을 사용할 수 있다. 또한, 질화물 세라믹스로서 AlN, Si3N4 등을 사용할 수 있다.
제 1 양태의 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 활성 원소 산화물층은, P 를 함유하고 있어도 된다.
이 경우, 접합 계면에 P 를 개재시키면, 이 P 가 활성 원소와 결합함과 함께 산소와 반응함으로써, 세라믹스 부재의 표면에 P 를 함유하는 상기 활성 원소 산화물층이 형성되기 쉬워진다. 따라서, 저온의 조건에서도, 구리 부재와 세라믹스 부재를 확실하게 접합할 수 있다. 이로써, 접합 시에 있어서의 세라믹스 부재의 열 열화 등을 억제하는 것이 가능해진다.
또, 제 1 양태의 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 활성 원소 산화물층과 상기 구리 부재의 사이에, Cu-Al 공정층이 형성되어 있어도 된다.
이 경우, 접합 계면에 Al 을 개재시킴으로써, 저온의 조건에서도 구리 부재와 세라믹스 부재를 확실하게 접합할 수 있다. 이 때, Al 과 Cu 가 반응함으로써, 상기 서술한 활성 원소 산화물층과 구리 부재의 사이에 Cu-Al 공정층이 형성되게 된다.
제 1 양태의 파워 모듈용 기판은, 상기 서술한 구리/세라믹스 접합체로 구성되고, 질화물 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 기판의 표면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 의하면, 상기 서술한 구리/세라믹스 접합체로 구성되어 있으므로, 저온의 조건에서 접합함으로써 세라믹스 기판에 대한 열 부하를 경감할 수 있어, 세라믹스 기판의 열화를 억제할 수 있다. 또, 저온의 조건에서 접합한 경우여도, 세라믹스 기판과 구리판이 확실하게 접합되어 있어, 접합 신뢰성을 확보할 수 있다. 또한, 세라믹스 기판의 표면에 접합된 구리판은, 회로층 혹은 금속층으로서 사용된다.
［제 2 양태］
상기 과제를 해결하고, 상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제 2 양태의 구리/세라믹스 접합체는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 알루미나로 이루어지는 세라믹스 부재가 접합된 구리/세라믹스 접합체로서, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면에는, 활성 원소와 산소와 인을 함유하는 활성 원소 산화물층이 형성되어 있고, 이 활성 원소 산화물층의 두께가 5 nm 이상 220 nm 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와 알루미나로 이루어지는 세라믹스 부재의 접합 계면에, 활성 원소와 산소와 인을 함유하는 활성 원소 산화물층이 형성된 구조로 되어 있다. 그리고, 제 2 양태에서는, 이 활성 원소 산화물층의 두께가 5 nm 이상으로 되어 있으므로, 세라믹스 부재와 구리 부재가 확실하게 접합되어, 접합 강도를 확보하는 것이 가능해진다. 한편, 활성 원소 산화물층의 두께가 220 nm 이하로 되어 있으므로, 비교적 단단해 깨지기 쉬운 활성 원소 산화물층의 두께가 얇고, 예를 들어 냉열 사이클 부하 시의 열 응력에 의해 세라믹스 부재에 균열이 생기는 것을 억제할 수 있다.
여기서, 활성 원소를 개재시켜 구리 부재와 알루미나로 이루어지는 세라믹스 부재를 고온 유지의 조건에서 접합한 경우, 활성 원소와 알루미나의 산소가 반응하여, 두꺼운 산화물층이 형성되게 된다. 제 2 양태에서는, 저온의 조건에서 구리 부재와 알루미나로 이루어지는 세라믹스 부재를 접합함으로써, 활성 원소 산화물층을 비교적 얇게 형성하는 것이 가능해진다.
또, 접합 계면에 인 (P) 을 개재시키면, 이 인 (P) 이 활성 원소와 결합함과 함께 산소와 반응함으로써, 세라믹스 부재의 표면에 인 (P) 을 함유하는 상기 활성 원소 산화물층이 형성되기 쉬워진다. 따라서, 저온의 조건에서도, 구리 부재와 세라믹스 부재를 확실하게 접합할 수 있다. 이로써, 접합 시에 있어서의 세라믹스 부재의 열 열화 등을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 제 2 양태에 있어서는, 활성 금속으로서 Ti, Zr, Hf 등을 사용할 수 있다. 또한, 알루미나로서, 92 ％ 알루미나 (Al2O3 순도 92 mass％ 이상), 96 ％ 알루미나 (Al2O3 순도 96 mass％ 이상), 98 ％ 알루미나 (Al2O3 순도 98 mass％ 이상), 지르코니아 강화 알루미나 등을 사용할 수 있다.
제 2 양태의 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 활성 원소 산화물층에 있어서의 인 농도가, 1.5 mass％ 이상 10 mass％ 이하의 범위 내로 되어 있어도 된다.
이 경우, 상기 활성 원소 산화물층에 있어서의 인 농도 (P 농도) 가, 1.5 mass％ 이상으로 되어 있으므로, 저온의 조건에서도 확실하게 상기 활성 원소 산화물층을 형성할 수 있어, 구리 부재와 세라믹스 부재를 강고하게 접합하는 것이 가능해진다. 또, 상기 활성 원소 산화물층에 있어서의 인 농도 (P 농도) 가, 10 mass％ 이하로 되어 있으므로, 상기 활성 원소 산화물층이 과잉으로 단단해지는 일이 없고, 예를 들어 냉열 사이클 부하 시의 열 응력에 의해 세라믹스 부재에 균열이 생기는 것을 억제할 수 있다.
제 2 양태의 파워 모듈용 기판은, 상기 서술한 구리/세라믹스 접합체로 구성되고, 알루미나로 이루어지는 세라믹스 기판의 표면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 의하면, 상기 서술한 구리/세라믹스 접합체로 구성되어 있으므로, 저온의 조건에서 접합함으로써 세라믹스 기판에 대한 열 부하를 경감할 수 있어 세라믹스 기판의 열화를 억제할 수 있다. 또, 저온의 조건에서 접합한 경우여도, 세라믹스 기판과 구리판이 확실하게 접합되어 있어, 접합 신뢰성을 확보할 수 있다. 또한, 세라믹스 기판의 표면에 접합된 구리판은, 회로층 혹은 금속층으로서 사용된다.
본 발명의 제 1 양태에 의하면, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와 질화물 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재가 확실하게 접합된 구리/세라믹스 접합체, 및 이 구리/세라믹스 접합체로 이루어지는 파워 모듈용 기판을 제공하는 것이 가능해진다.
본 발명의 제 2 양태에 의하면, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와 알루미나로 이루어지는 세라믹스 부재가 확실하게 접합된 구리/세라믹스 접합체, 및 이 구리/세라믹스 접합체로 이루어지는 파워 모듈용 기판을 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 (구리 부재) 과 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) 의 접합 계면의 모식도이다.
도 3 은, 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 4 는, 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 5 는, 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 (구리 부재) 과 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) 의 접합 계면의 모식도이다.
도 6 은, 본 발명예 A1 의 구리/세라믹스 접합체 (파워 모듈용 기판) 에 있어서의 접합 계면의 관찰 사진이다.
도 7 은, 본 발명예 A13 의 구리/세라믹스 접합체 (파워 모듈용 기판) 에 있어서의 접합 계면의 관찰 사진이다.
도 8 은, 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 9 는, 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 (구리 부재) 과 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) 의 접합 계면의 모식도이다.
도 10 은, 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 11 은, 본 발명예 B2 의 구리/세라믹스 접합체 (파워 모듈용 기판) 에 있어서의 접합 계면의 관찰 사진이다.
［제 1 양태］
［제 1 실시형태］
이하에, 본 발명의 제 1 양태에 관련된, 제 1 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 구리/세라믹스 접합체는, 질화물 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재로서의 세라믹스 기판 (11) 과, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재로서의 구리판 (22) (회로층 (12)) 이 접합됨으로써 구성된 파워 모듈용 기판 (10) 으로 되어 있다.
도 1 에, 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 및 이 파워 모듈용 기판 (10) 을 사용한 파워 모듈 (1) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (1) 은, 파워 모듈용 기판 (10) 과 이 파워 모듈용 기판 (10) 의 일방측 (도 1 에 있어서 상측) 의 면에 솔더링층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와 파워 모듈용 기판 (10) 의 타방측 (도 1 에 있어서 하측) 에 배치된 히트 싱크 (51) 를 구비하고 있다.
여기서, 솔더링층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 솔더링재로 되어 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 것으로서, 제 1 실시형태의 세라믹스 기판 (11) 은, 질화물 세라믹스의 1 종인 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 여기서, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 mm 의 범위 내로 설정되어 있는 것이 바람직하고, 제 1 실시형태에서는, 0.635 mm 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (22) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 제 1 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 을 구성하는 구리판 (22) 으로서 무산소동의 압연판이 이용되고 있다. 이 회로층 (12) 에는, 회로 패턴이 형성되어 있고, 그 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 이, 반도체 소자 (3) 가 탑재되는 탑재면으로 되어 있다. 여기서, 회로층 (12) 의 두께는 0.1 mm 이상 1.0 mm 이하의 범위 내로 설정되어 있는 것이 바람직하고, 제 1 실시형태에서는 0.6 mm 로 설정되어 있다.
금속층 (13) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 알루미늄판 (23) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 제 1 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 은, 순도가 99.99 mass％ 이상의 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 알루미늄판 (23) 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
또한, 이 알루미늄판 (23) 은, 0.2 ％ 내력 (耐力) 이 30 N/㎟ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다. 여기서, 금속층 (13) (알루미늄판 (23)) 의 두께는 0.5 mm 이상 6 mm 이하의 범위 내로 설정되어 있는 것이 바람직하고, 제 1 실시형태에서는, 2.0 mm 로 설정되어 있다.
히트 싱크 (51) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (10) 을 냉각시키기 위한 것이며, 파워 모듈용 기판 (10) 과 접합되는 천판부 (52) 와 냉각 매체 (예를 들어 냉각수) 를 유통하기 위한 유로 (53) 를 구비하고 있다. 히트 싱크 (51) (천판부 (52)) 는, 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 제 1 실시형태에 있어서는, A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
이 히트 싱크 (51) (천판부 (52)) 는, 제 1 실시형태에 있어서는, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 에 브레이징에 의해 직접 접합되어 있다.
여기서, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (구리판 (22)) 의 접합 계면에는, 활성 원소와 산소를 포함하는 활성 원소 산화물층 (30) 이 형성되어 있다. 제 1 실시형태에서는, 이 활성 원소 산화물층 (30) 의 두께 (t) 가, 5 nm 이상 220 nm 이하의 범위 내로 되어 있다. 활성 원소 산화물층 (30) 의 두께 (t) 는 10 nm 이상 220 nm 이하이면 바람직하고, 10 nm 이상 50 nm 이하이면 보다 바람직하다. 또한, 활성 원소 산화물층 (30) 에 있어서의 활성 원소의 농도는 35 at％ ∼ 70 at％ 의 범위 내로 되어 있다. 또한, 여기서의 활성 원소의 농도는 활성 원소와 P 와 O 의 합계량을 100 으로 했을 때의 농도이다.
제 1 실시형태에 있어서는, 활성 원소로서 Ti 를 가지고 있고, 상기 서술한 활성 원소 산화물층 (30) 은, Ti 와 산소를 포함하는 Ti-O 층으로 되어 있다.
또, 제 1 실시형태에 있어서는, 후술하는 바와 같이, P 를 포함하는 Cu-P 계 브레이징재 (24) 를 사용하여 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (구리판 (22)) 을 접합하고 있는 점에서, 활성 원소 산화물층 (30) 에는 P 가 함유되어 있다. 또한, 제 1 실시형태에서는, 활성 원소 산화물층 (30) 에 있어서의 P 의 함유량이 1.5 mass％ 이상 10 mass％ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3 mass％ 이상 8 mass％ 이하의 범위 내이다. 또한, 여기서의 P 의 함유량은 Ti 와 P 와 O 의 합계량을 100 으로 했을 때의 함유량이다.
P 의 함유량이 1.5 mass％ 이상으로 되어 있으므로, 확실하게 활성 원소 산화물층 (30) 을 형성할 수 있고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 을 확실하게 접합할 수 있다. 또, P 의 함유량이 10 mass％ 이하로 되어 있으므로, 활성 원소 산화물층 (30) 이 과잉으로 단단해지는 일이 없고, 예를 들어 냉열 사이클 부하 시의 열 응력에 의한 세라믹스 기판에 대한 부하를 저감할 수 있어 접합 계면의 신뢰성 저하를 방지할 수 있다.
또한, P 를 포함하는 Cu-P 계 브레이징재 (24) 를 사용하지 않고 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (구리판 (22)) 을 접합하는 경우에는, 브레이징재 (24) 로서 후술하는 Cu-Al 브레이징재 등을 사용할 수 있다.
활성 원소 산화물층 (30) 의 두께 (t) 는, 투과형 전자 현미경을 사용하여 배율 20만배로 접합 계면을 관찰하고, 활성 원소의 농도가 35 at％ ∼ 70 at％ 의 범위 내에 있는 지점을 활성 원소 산화물층 (30) 으로 간주하고, 그 두께를 측정하여 얻는다. 활성 원소의 농도 (at％) 는, 투과형 전자 현미경 부속의 EDS (에너지 분산형 X 선 분광기) 로 측정하고, P 농도, 활성 원소 농도 및 O 농도의 합계를 100 으로 했을 때의 활성 원소의 농도로 했다. 활성 원소 산화물층의 두께는, 5 시야의 평균치로 했다.
활성 원소 산화물층 (30) 의 P 의 함유량 (mass％) 은, 활성 원소 산화물층 (30) 중의 P 농도 (mass％), Ti 농도 (mass％) 및 O 농도 (mass％) 를 투과형 전자 현미경 부속의 EDS 로 측정하고, P 농도, Ti 농도 및 O 농도의 합계를 100 으로 했을 때의 P 농도 (mass％) 를 산출하여 얻는다. P 의 함유량 (mass％) 에 대해서는, 측정점을 5 점으로 하고, 그 평균치로 했다.
다음으로, 상기 서술한 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법에 대해, 도 3 및 도 4 를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 4 에 있어서 상면) 에, Cu-P 계 브레이징재 (24), Ti 재 (25) (활성 원소재), 및 회로층 (12) 이 되는 구리판 (22) 을 순서대로 적층함 (제 1 적층 공정 S01) 과 함께, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 4 에 있어서 하면) 에, 접합재 (27) 를 개재하여 금속층 (13) 이 되는 Al 판 (23) 을 순서대로 적층한다 (제 2 적층 공정 S02).
여기서, 제 1 실시형태에서는, Cu-P 계 브레이징재 (24) 로서 P 를 3 mass％ 이상 10 mass％ 이하의 범위로 포함하고, 또한, 저융점 원소인 Sn 을 7 mass％ 이상 50 mass％ 이하의 범위로 포함하고, 또한, Ni 를 2 mass％ 이상 15 mass％ 이하의 범위로 포함하는 Cu-P-Sn-Ni 브레이징재를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, Cu-P 계 브레이징재 (24) 의 두께는, 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다.
Cu-P 계 브레이징재 (24) 로서는, 그 밖에 Cu-P-Zn 브레이징재 등을 사용할 수 있다.
또, 제 1 실시형태에서는, Ti 재 (25) 의 두께는, 0.1 ㎛ 이상 25 ㎛ 이하의 범위 내로 되는 것이 바람직하고, 제 1 실시형태에서는 두께 12 ㎛ 의 Ti 박을 사용하고 있다. 또한, Ti 재 (25) 는, 두께가 0.1 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 이하의 경우에는 증착이나 스퍼터에 의해 성막하는 것이 바람직하고, 두께가 0.5 ㎛ 이상의 경우에는 박재를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 실시형태에서는, 알루미늄판 (23) 을 세라믹스 기판 (11) 에 접합하는 접합재 (27) 로서, 융점 강하 원소인 Si 를 함유한 Al-Si 계 브레이징재 (예를 들어 Al-7.5 mass％ Si 브레이징재) 를 사용하는 것이 바람직하다.
접합재 (27) 로서는, 그 밖에 Al-Cu 브레이징재나 Cu 등을 사용할 수 있다. 접합재 (27) 로서 Cu (예를 들어, 고착량으로서는 0.08 mg/㎠ 이상 2.7 mg/㎠ 이하) 를 사용한 경우, 이른바 과도 액상 접합법 (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding, TLP) 에 의해 접합할 수 있다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11), Cu-P 계 브레이징재 (24), Ti 박 (25), 구리판 (22), 접합재 (27), Al 판 (23) 을 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태로, 진공 가열로 내에 장입 (裝入) 하여 가열한다 (가열 처리 공정 S03). 제 1 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도는 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로, 유지 시간은 30 분 이상 360 분 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
이상의 공정 S01 ∼ S03 에 의해, 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 이 제조된다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 의 타방의 면측에, 히트 싱크 (51) 를 접합한다 (히트 싱크 접합 공정 S04).
파워 모듈용 기판 (10) 과 히트 싱크 (51) 를, 브레이징재 (28) 를 개재하여 적층하고, 적층 방향으로 가압함과 함께 진공로 내에 장입하여 브레이징을 실시한다. 이로써, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 과 히트 싱크 (51) 의 천판부 (52) 를 접합한다. 이 때, 브레이징재 (28) 로서는, 예를 들어, 두께 20 ∼ 110 ㎛ 의 Al-Si 계 브레이징재박 (예를 들어 Al-10 mass％ Si 브레이징재박) 을 사용할 수 있고, 브레이징 온도는, 가열 처리 공정 S03 에 있어서의 온도 조건보다 저온으로 설정한다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (10) 의 회로층 (12) 의 일방의 면에, 반도체 소자 (3) 를 솔더링에 의해 접합한다 (반도체 소자 탑재 공정 S05).
이상의 공정 S01 ∼ S05 에 의해, 도 1 에 나타내는 파워 모듈 (1) 이 만들어져 나온다.
여기서, 가열 처리 공정 S03 에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) 의 접합 계면에 있어서, Ti 박 (25) 의 Ti 와, Cu-P 계 브레이징재 (24) 의 P 와, 세라믹스 기판 (11) 이나 Cu-P 계 브레이징재 (24) 등에 존재하는 산소가 반응하여, P 를 포함하는 활성 원소 산화물층 (30) (Ti-O 층) 이 형성된다. 또한, 세라믹스 기판 (11) 이나 Cu-P 계 브레이징재 (24) 등에 존재하는 산소로서는, 예를 들어 세라믹스 기판 (11) 의 표면에 존재하는 산화물, Ti 박 (25) 이나 Cu-P 계 브레이징재 (24) 에 포함되는 산화물 등을 들 수 있다.
이상과 같은 구성으로 된 제 1 실시형태의 구리/세라믹스 접합체 (파워 모듈용 기판 (10)) 에 의하면, 무산소동으로 이루어지는 구리판 (22) (회로층 (12)) 과 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (11) 이, Cu-P 계 브레이징재 (24) 및 Ti 박 (25) 을 개재하여 접합되어 있고, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) (회로층 (12)) 의 접합 계면에, 활성 원소 산화물층 (30) (Ti-O 층) 이 형성되어 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 이 강고하게 접합되게 된다.
제 1 실시형태에서는, 활성 원소 산화물층 (30) (Ti-O 층) 의 두께 (t) 가 5 nm 이상으로 되어 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) (회로층 (12)) 이 확실하게 접합되고, 이들의 접합 강도를 확보하는 것이 가능해진다. 한편, 활성 원소 산화물층 (30) (Ti-O 층) 의 두께 (t) 가 220 nm 이하로 되어 있으므로, 냉열 사이클 부하 시의 열 응력에 의해 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 생기는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 서술한 작용 효과를 발휘하기 위해서는, 활성 원소 산화물층 (30) (Ti-O 층) 의 두께 (t) 를 10 nm 이상, 220 nm 이하로 하는 것이 바람직하다.
또, 활성 원소 산화물층 (30) 에 있어서의 활성 원소 (제 1 실시형태에서는 Ti) 의 농도는 35 at％ ∼ 70 at％ 의 범위 내로 되어 있다. 또한, 여기서의 활성 원소의 농도는 활성 원소 (제 1 실시형태에서는 Ti) 와 P 와 O 의 합계량을 100 으로 했을 때의 농도이다.
또한, 제 1 실시형태에서는, Cu-P 계 브레이징재 (24) 를 사용하여 접합되어 있으므로, Cu-P 계 브레이징재 (24) 의 P 와 Ti 박 (25) 의 Ti 가 반응하고, 추가로 산소와 반응함으로써, P 를 함유하는 활성 원소 산화물층 (30) (Ti-O 층) 이 확실하게 형성되게 된다. 이로써, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) (회로층 (12)) 을 확실하게 접합하는 것이 가능해진다. 즉, 활성 원소인 Ti 와 반응하기 쉽고, 또한, 산소와도 반응하기 쉬운 원소인 P 를 계면에 개재시킴으로써, 상기 서술한 활성 원소 산화물층 (30) (Ti-O 층) 의 형성이 촉진되어, 저온의 조건에서도 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) 이 확실하게 접합되는 것이다.
또, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) 을, Ti 를 개재시켜 고온 유지한 경우에는 (예를 들어, 790 ℃ ∼ 850 ℃), 세라믹스 기판 (11) 중의 질소와 Ti 가 반응하여, TiN 이 형성되게 되지만, 제 1 실시형태에서는, 가열 처리 공정 S03 에 있어서 저온의 조건 (600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위) 으로 하고 있는 점에서, TiN 이 형성되지 않고, 활성 원소 산화물층 (30) (Ti-O 층) 이 형성되는 것이다.
또한, 제 1 실시형태에서는, 상기 서술한 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) 을 저온의 조건에서 접합 가능한 점에서, 제 1 실시형태에서는, 가열 처리 공정 S03 에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22), 및 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (23) 을 동시에 접합하고 있다. 따라서, 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 효율을 대폭 향상시켜, 제조 비용을 삭감할 수 있다. 또, 세라믹스 기판 (11) 의 양면에 동시에 구리판 (22) 및 알루미늄판 (23) 을 접합하므로, 접합 시에 있어서의 세라믹스 기판 (11) 의 휨의 발생을 억제할 수 있다.
［제 2 실시형태］
다음으로, 본 발명의 제 1 양태에 관련된, 제 2 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 구리/세라믹스 접합체는, 제 1 실시형태 와 마찬가지로, 질화물 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재로서의 세라믹스 기판 (11) 과, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재로서의 구리판 (22) (회로층 (12)) 이 접합됨으로써 구성된 파워 모듈용 기판으로 되어 있고, 도 1 에 나타내는 파워 모듈용 기판 중 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) (회로층 (12)) 의 접합 계면의 구조가 상이하다.
도 5 에, 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서의 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) (회로층 (12)) 의 접합 계면의 구조를 나타낸다.
제 2 실시형태에 있어서는, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (구리판 (22)) 의 접합 계면에는, 활성 원소와 산소를 포함하는 활성 원소 산화물층 (130) 과 Cu-Al 공정층 (131) 이 적층 배치되어 있다. 즉, 활성 원소 산화물층 (130) 과 구리판 (22) (회로층 (12)) 의 사이에 Cu-Al 공정층 (131) 이 형성되어 있는 것이다.
여기서, 제 2 실시형태에서는, 활성 원소 산화물층 (130) 의 두께 (t) 가 5 nm 이상 220 nm 이하의 범위 내로 되어 있고, 10 nm 이상 220 nm 이하의 범위 내이면 바람직하고, 10 nm 이상 50 nm 이하의 범위 내이면 보다 바람직하다. 또, 제 2 실시형태에 있어서는, 활성 원소로서 Ti 를 가지고 있고, 상기 서술한 활성 원소 산화물층 (130) 은, Ti 와 산소를 포함하는 Ti-O 층으로 되어 있다.
또, 제 2 실시형태에서는, Cu-Al 공정층 (131) 의 두께 (te) 가 10 ㎛ 이상 60 ㎛ 이하의 범위 내인 것이 바람직하고, 10 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하의 범위 내이면 보다 바람직하다. 또한, Cu-Al 공정층 (131) 에 있어서는, 활성 원소 산화물층 (130) 측에 활성 원소 (제 2 실시형태에서는 Ti) 가 농화된 활성 원소 농화층 (131a) 을 구비하고 있어도 된다.
활성 원소 산화물층 (130) 에 있어서의 활성 원소의 농도는 35 at％ ∼ 70 at％ 의 범위 내로 되어 있다.
Cu-Al 공정층은, 조성이 Cu 농도와 Al 농도를 합하여 100 at％ 로 했을 때의 Cu 농도가 60 at％ ∼ 90 at％ 인 지점을 말한다.
활성 원소 농화층 (131a) 에 있어서의 활성 원소의 농도는 40 at％ ∼ 60 at％ 의 범위 내인 것이 바람직하고, 50 at％ ∼ 60 at％ 의 범위 내인 것이 보다 바람직하다. 활성 원소 농화층 (131a) 은 그 두께가 10 nm 이상 200 nm 이하의 범위 내이면 바람직하고, 10 nm 이상 50 nm 이하의 범위 내이면 보다 바람직하다.
활성 원소 산화물층 (130) 의 활성 원소의 농도 및 두께는, 제 1 실시형태의 활성 원소 산화물층 (30) 의 활성 원소의 농도 및 두께와 동일한 방법으로 측정된다.
Cu-Al 공정층의 두께는, 투과형 전자 현미경 부속의 EDS 를 사용하여, 조성이 Cu 농도와 Al 농도를 합하여 100 at％ 로 했을 때의 Cu 농도가 60 at％ ∼ 90 at％ 인 지점의 두께를 5 지점 측정하고, 그 평균치를 구한다.
활성 원소 농화층 (131a) 의 조성은, 투과형 전자 현미경 부속의 EDS 를 사용하여 측정한다.
제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 제 1 실시형태에 있어서의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 대해, Cu-P 계 브레이징재 (24) 대신에, Cu-Al 계 브레이징재를 사용하는 점에서 상이하다.
제 2 실시형태에서는, Cu-Al 계 브레이징재로서 Al 을 45 mass％ 이상 95 mass％ 이하의 범위로 포함하는 Cu-Al 브레이징재를 사용하고 있다. 또한, Cu-Al 계 브레이징재의 두께는, 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위로 되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 접합 시의 가열 온도는, 580 ℃ 이상 650 ℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.
제 2 실시형태에 있어서는, Al 을 포함하는 Cu-Al 계 브레이징재를 사용하여 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (구리판 (22)) 을 접합하고 있고, 이 Cu-Al 계 브레이징재 중의 Al 이 Cu 와 공정 반응함으로써, 저온 조건하에서 액상이 생겨, 상기 서술한 Cu-Al 공정층 (131) 이 형성되게 된다.
이상과 같은 구성으로 된 제 2 실시형태의 구리/세라믹스 접합체 (파워 모듈용 기판) 에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) (회로층 (12)) 의 접합 계면에, 활성 원소 산화물층 (130) (Ti-O 층) 이 형성되어 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 이 강고하게 접합되게 된다.
또, 활성 원소 산화물층 (130) 과 구리판 (22) (회로층 (12)) 의 사이에 Cu-Al 공정층 (131) 이 형성되어 있으므로, 공정 반응에 의해 저온 조건에서 액상이 생겨, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 을 확실하게 접합할 수 있다.
여기서, Cu-Al 공정층 (131) 의 두께 (te) 가 10 ㎛ 이상으로 되어 있으므로, 상기 서술한 바와 같이 액상이 충분히 형성되어, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 을 확실하게 접합할 수 있다. 또, Cu-Al 공정층 (131) 의 두께 (te) 가 60 ㎛ 이하로 되어 있으므로, 접합 계면 근방이 부서지기 쉬운 것을 억제할 수 있고, 높은 냉열 사이클 신뢰성을 확보하는 것이 가능해진다.
이상, 본 발명의 제 1 양태에 관련된, 제 1 및 제 2 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 일은 없고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
예를 들어, 구리 부재로서의 구리판 (회로층) 과 세라믹스 부재로서의 세라믹스 기판을 접합한 파워 모듈용 기판을 예로 들어 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없고, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 질화물 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재가 접합된 구리/세라믹스 접합체이면 된다.
또, 구리판을 접합함으로써 회로층을 형성하는 것으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없고, 구리판을 접합함으로써 금속층을 형성해도 된다.
또한, 구리판을, 무산소동 또는 터프 피치동의 압연판으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없고, 다른 구리 또는 구리 합금으로 구성된 것이어도 된다.
또, 금속층을 구성하는 알루미늄판을, 순도 99.99 mass％ 의 순알루미늄의 압연판으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없고, 순도 99 mass％ 의 알루미늄 (2N 알루미늄) 등, 다른 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된 것이어도 된다.
또한, 금속층은, 알루미늄판으로 구성한 것으로 한정되는 일은 없고, 그 밖의 금속으로 구성한 것이어도 된다.
또, 질화물 세라믹스로서 AlN 을 예로 들어 설명했지만, 이것으로 한정되는일은 없고, Si3N4 등의 다른 질화물 세라믹스를 적용해도 된다.
또한, 활성 원소로서 Ti 를 예로 들어 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없고, Zr, Hf, Nb 등의 다른 활성 원소를 적용해도 된다.
또, 본 발명의 제 1 및 제 2 실시형태에서는, 접합 계면에 형성된 활성 원소 산화물층에 P 가 함유된 것으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없다.
또한, 본 발명의 제 1 및 제 2 실시형태에서는, Cu-P-Sn-Ni 계 브레이징재 및 Cu-Al 계 브레이징재를 사용하여 세라믹스 기판과 구리판을 접합하는 것으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없고, 다른 브레이징재를 사용해도 된다.
또, 본 발명의 제 1 및 제 2 실시형태에서는, 세라믹스 기판과 구리판의 사이에 Cu-P-Sn-Ni 계 브레이징재 및 Cu-Al 계 브레이징재, Ti 박을 개재시키는 것으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없고, Cu-P-Sn-Ni 페이스트 및 Cu-Al 페이스트, Ti 페이스트 등을 개재시켜도 된다.
또, 상기 제 1 및 제 2 실시형태에서는, Ti 박을 개재시키는 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되지 않고 수소화 Ti 를 사용할 수 있다. 이 경우, 수소화 Ti 의 분말을 직접 개재시키는 방법이나 수소화 Ti 페이스트를 도포하는 방법을 사용할 수 있다. 또, 수소화 Ti 뿐만 아니라, Zr, Hf, Nb 등의 다른 활성 원소의 수소화물을 사용할 수 있다.
또한, 히트 싱크는, 본 발명의 제 1 및 제 2 실시형태에서 예시한 것으로 한정되는 일은 없고, 히트 싱크의 구조에 특별히 한정은 없다.
또, 히트 싱크의 천판부나 방열판과 금속층의 사이에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 알루미늄을 포함하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층을 형성해도 된다.
［제 2 양태］
［제 3 실시형태］
이하에, 본 발명의 제 2 양태에 관련된, 제 3 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
제 1 실시형태와 동일한 구성을 갖는 부재에 대해서는, 동일한 부호를 사용하고, 상세한 설명을 생략한다.
제 3 실시형태에 관련된 구리/세라믹스 접합체는, 알루미나로 이루어지는 세라믹스 부재로서의 세라믹스 기판 (211) 과, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재로서의 구리판 (22) (회로층 (12)) 이 접합됨으로써 구성된 파워 모듈용 기판 (210) 으로 되어 있다.
도 8 에, 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 및 이 파워 모듈용 기판 (210) 을 사용한 파워 모듈 (201) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (201) 은, 파워 모듈용 기판 (210) 과 이 파워 모듈용 기판 (210) 의 일방측 (도 8 에 있어서 상측) 의 면에 솔더링층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 파워 모듈용 기판 (210) 의 타방측 (도 8 에 있어서 하측) 에 배치된 히트 싱크 (51) 를 구비하고 있다.
솔더링층 (2) 에서는, 제 1 실시형태와 동일한 솔더링재를 사용할 수 있다.
파워 모듈용 기판 (210) 은, 세라믹스 기판 (211) 과, 이 세라믹스 기판 (211) 의 일방의 면 (도 8 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (12) 과, 세라믹스 기판 (211) 의 타방의 면 (도 8 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (13) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (211) 은, 회로층 (12) 과 금속층 (13) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 제 3 실시형태의 세라믹스 기판 (211) 은, 알루미나의 1 종인 98 ％ 알루미나 (Al2O3 순도 98 mass％ 이상) 로 구성되어 있다. 여기서, 세라믹스 기판 (211) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 mm 의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하고, 제 3 실시형태에서는, 0.38 mm 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (211) 의 일방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (22) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 제 3 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 은, 제 1 실시형태의 회로층 (12) 과 동일한 구성 (재료, 사용법, 두께 등) 을 갖는다.
금속층 (13) 은, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (211) 의 타방의 면에 알루미늄판 (23) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 제 3 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 은, 순도가 99.99 mass％ 이상의 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 알루미늄판 (23) 이 세라믹스 기판 (211) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
또한, 이 제 3 실시형태의 알루미늄판 (23) 은, 제 1 실시형태의 알루미늄판 (23) 과 동일한 구성 (내력, 두께 등) 을 갖는다.
히트 싱크 (51) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (210) 을 냉각시키기 위한 것이며, 파워 모듈용 기판 (10) 이 파워 모듈용 기판 (210) 인 것을 제외하고, 제 1 실시형태의 히트 싱크 (51) 와 동일한 구성 (구조, 재료, 파워 모듈용 기판의 금속층 (13) 에 대한 접합 방법 등) 을 갖는다.
여기서, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (211) 과 회로층 (12) (구리판 (22)) 의 접합 계면에는, 활성 원소와 산소와 인을 포함하는 활성 원소 산화물층 (230) 이 형성되어 있다. 제 3 실시형태에서는, 이 활성 원소 산화물층 (230) 의 두께 (t) 가, 5 nm 이상 220 nm 이하의 범위 내로 되어 있다. 활성 원소 산화물층 (230) 의 두께 (t) 는 10 nm 이상 220 nm 이하이면 바람직하고, 10 nm 이상 50 nm 이하이면 보다 바람직하다.
제 3 실시형태에 있어서는, 활성 원소로서 Ti 를 가지고 있고, 상기 서술한 활성 원소 산화물층 (230) 은, Ti 와 산소 (O) 와 인 (P) 을 포함하는 Ti-P-O 층으로 되어 있다.
또한, 활성 원소로서 Zr 을 사용한 경우에는, 활성 원소 산화물층 (230) 은 Zr-P-O 층으로 되고, Nb 를 사용한 경우에는 Nb-P-O 층으로 되고, Hf 를 사용한 경우에는 Hf-P-O 층으로 되어 있다.
활성 원소 산화물층 (230) 에 있어서의 활성 원소의 농도는 35 at％ ∼ 70 at％ 의 범위 내로 되어 있다. 또한, 여기서의 활성 원소의 농도는 활성 원소와 P 와 O 의 합계량을 100 으로 했을 때의 농도이다.
또, 제 3 실시형태에 있어서는, 활성 원소 산화물층 (230) 에 있어서의 P 의 함유량이 1.5 mass％ 이상 10 mass％ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3 mass％ 이상 8 mass％ 이하의 범위 내이다. 또한, 여기서의 P 의 함유량은 활성 금속과 P 와 O 의 합계량을 100 으로 한 함유량이다.
P 의 함유량이 1.5 mass％ 이상으로 되어 있으므로, 확실하게 활성 원소 산화물층 (230) 을 형성할 수 있고, 세라믹스 기판 (211) 과 회로층 (12) 을 확실하게 접합할 수 있다. 또, P 의 함유량이 10 mass％ 이하로 되어 있으므로, 활성 원소 산화물층 (230) 이 과잉으로 단단해지는 일이 없고, 예를 들어 냉열 사이클 부하 시의 열 응력에 의한 세라믹스 기판에 대한 부하를 저감할 수 있어 접합 계면의 신뢰성 저하를 방지할 수 있다.
활성 원소 산화물층 (230) 의 활성 원소의 농도 및 두께, 그리고 P 함유량은, 제 1 실시형태의 활성 원소 산화물층 (30) 의 활성 원소의 농도 및 두께, 그리고 P 함유량과 동일한 방법으로 측정된다.
다음으로, 상기 서술한 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 의 제조 방법에 대해, 도 3 및 도 10 을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (211) 의 일방의 면 (도 10 에 있어서 상면) 에, Cu-P 계 브레이징재 (224), Ti 박 (225), 및 회로층 (12) 이 되는 구리판 (22) 을 순서대로 적층함 (제 1 적층 공정 S01) 과 함께, 세라믹스 기판 (211) 의 타방의 면 (도 10 에 있어서 하면) 에, 접합재 (27) 를 개재하여 금속층 (13) 이 되는 Al 판 (23) 을 순서대로 적층한다 (제 2 적층 공정 S02).
여기서, 제 3 실시형태에서는, Cu-P 계 브레이징재 (224) 로서, P 를 3 mass％ 이상 10 mass％ 이하의 범위로 포함하고, 또한, 저융점 원소인 Sn 을 7 mass％ 이상 50 mass％ 이하의 범위로 포함하고, 또한, Ni 를 2 mass％ 이상 15 mass％ 이하의 범위로 포함하는 Cu-P-Sn-Ni 브레이징재를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, Cu-P 계 브레이징재 (224) 의 두께는, 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다.
Cu-P 계 브레이징재 (224) 로서는, 그 밖에 Cu-P-Zn 브레이징재 등을 사용할 수 있다.
또, 제 3 실시형태에서는, Ti 박 (225) 의 두께는, 0.5 ㎛ 이상 25 ㎛ 이하의 범위 내로 되는 것이 바람직하고, 제 3 실시형태에서는 두께 12 ㎛ 의 Ti 박을 사용하고 있다.
또한, 제 3 실시형태에서는, 알루미늄판 (23) 을 세라믹스 기판 (211) 에 접합하는 접합재 (27) 로서, 융점 강하 원소인 Si 를 함유한 Al-Si 계 브레이징재 (예를 들어 Al-7.5 mass％ Si 브레이징재) 를 사용하는 것이 바람직하다. 접합재 (27) 로서는, 그 밖에 제 1 실시형태에서 예시한 브레이징재와 동일한 것을 사용할 수 있다.
다음으로, 세라믹스 기판 (211), Cu-P 계 브레이징재 (224), Ti 박 (225), 구리판 (22), 접합재 (27), Al 판 (23) 을 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태로, 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다 (가열 처리 공정 S03). 제 3 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도는 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로, 유지 시간은 30 분 이상 360 분 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
이상의 공정 S01 ∼ S03 에 의해, 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 이 제조된다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (210) 의 금속층 (13) 의 타방의 면측에, 히트 싱크 (51) 를 접합한다 (히트 싱크 접합 공정 S04).
파워 모듈용 기판 (210) 과 히트 싱크 (51) 를, 브레이징재 (28) 를 개재하여 적층하고, 적층 방향으로 가압함과 함께 진공로 내에 장입하여 브레이징을 실시한다. 이로써, 파워 모듈용 기판 (210) 의 금속층 (13) 과 히트 싱크 (51) 의 천판부 (52) 를 접합한다. 이 때, 브레이징재 (28) 로서는, 예를 들어, 두께 20 ∼ 110 ㎛ 의 Al-Si 계 브레이징재박 (예를 들어 Al-10 mass％ Si 브레이징재박) 을 사용할 수 있고, 브레이징 온도는, 가열 처리 공정 S03 에 있어서의 온도 조건보다 저온으로 설정한다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (210) 의 회로층 (12) 의 일방의 면에, 반도체 소자 (3) 를 솔더링에 의해 접합한다 (반도체 소자 탑재 공정 S05).
이상의 공정 S01 ∼ S05 에 의해, 도 8 에 나타내는 파워 모듈 (201) 이 만들어져 나온다.
여기서, 가열 처리 공정 S03 에 있어서는, 세라믹스 기판 (211) 과 구리판 (22) 의 접합 계면에 있어서, Ti 박 (225) 의 Ti 와, Cu-P 계 브레이징재 (224) 의 P 와, 세라믹스 기판 (211) 이나 Cu-P 계 브레이징재 (224) 등에 존재하는 산소가 반응하여, P 를 포함하는 활성 원소 산화물층 (30) (Ti-P-O 층) 이 형성된다. 세라믹스 기판 (211) 이나 Cu-P 계 브레이징재 (224) 등에 존재하는 산소로서는, 예를 들어 세라믹스 기판 (211) 의 표면에 존재하는 산화물, Ti 박 (225) 이나 Cu-P 계 브레이징재 (224) 에 포함되는 산화물 등을 들 수 있다. 또한, 제 3 실시형태에서는, 가열 처리 공정 S03 이 저온의 조건에서 실시되고 있는 점에서, 세라믹스 기판 (211) 을 구성하는 알루미나의 분해가 억제되어, 알루미나로부터의 산소의 공급이 억제되고, 활성 원소 산화물층 (230) 을 얇게 형성하는 것이 가능해진다.
이상과 같은 구성으로 된 제 3 실시형태의 구리/세라믹스 접합체 (파워 모듈용 기판 (210)) 에 의하면, 무산소동으로 이루어지는 구리판 (22) (회로층 (12)) 과 알루미나로 이루어지는 세라믹스 기판 (211) 이, Cu-P 계 브레이징재 (224) 및 Ti 박 (225) 을 개재하여 접합되어 있고, 세라믹스 기판 (211) 과 구리판 (22) (회로층 (12)) 의 접합 계면에, 활성 원소 산화물층 (230) (Ti-P-O 층) 이 형성되어 있으므로, 세라믹스 기판 (211) 과 회로층 (12) 이 강고하게 접합되게 된다.
제 3 실시형태에서는, 활성 원소 산화물층 (230) (Ti-P-O 층) 의 두께 (t) 가 5 nm 이상으로 되어 있으므로, 세라믹스 기판 (211) 과 구리판 (22) (회로층 (12)) 이 확실하게 접합되고, 이들의 접합 강도를 확보하는 것이 가능해진다. 한편, 활성 원소 산화물층 (230) (Ti-P-O 층) 의 두께 (t) 가 220 nm 이하로 되어 있으므로, 냉열 사이클 부하 시의 열 응력에 의해 세라믹스 기판 (211) 에 균열이 생기는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 서술한 작용 효과를 발휘하기 위해서는, 활성 원소 산화물층 (230) (Ti-P-O 층) 의 두께 (t) 를 10 nm 이상, 220 nm 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 제 3 실시형태에서는, Cu-P 계 브레이징재 (224) 를 사용하여 접합하고 있으므로, Cu-P 계 브레이징재 (224) 의 P 와 Ti 박 (225) 의 Ti 가 반응하고, 또한 산소와 반응함으로써, P 를 함유하는 활성 원소 산화물층 (230) (Ti-P-O 층) 이 확실하게 형성되게 된다.
이로써, 세라믹스 기판 (211) 과 구리판 (22) (회로층 (12)) 을 확실하게 접합하는 것이 가능해진다. 즉, 활성 원소인 Ti 와 반응하기 쉽고, 또한, 산소와도 반응하기 쉬운 원소인 P 를 계면에 개재시킴으로써, 상기 서술한 활성 원소 산화물층 (230) (Ti-P-O 층) 의 형성이 촉진되어, 저온의 조건에서도 세라믹스 기판 (211) 과 구리판 (22) 이 확실하게 접합되는 것이다.
또, 알루미나로 이루어지는 세라믹스 기판 (211) 과 구리판 (22) 을, Ti 를 개재시켜 고온 유지한 경우에는 (예를 들어 790 ℃ ∼ 850 ℃), 세라믹스 기판 (211) 중의 산소와 Ti 가 반응하여, 두꺼운 Ti 산화물층이 형성되게 되지만, 제 3 실시형태에서는, 가열 처리 공정 S03 에 있어서 저온의 조건 (600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위) 으로 하고 있는 점에서, 상기 서술한 활성 원소 산화물층 (230) (Ti-P-O 층) 이 비교적 얇게 형성되는 것이다.
또한, 제 3 실시형태에서는, 상기 서술한 바와 같이, 세라믹스 기판 (211) 과 구리판 (22) 을 저온의 조건에서 접합 가능한 점에서, 제 3 실시형태에서는, 가열 처리 공정 S03 에 있어서, 세라믹스 기판 (211) 과 구리판 (22), 및 세라믹스 기판 (211) 과 알루미늄판 (23) 을 동시에 접합하고 있다. 따라서, 파워 모듈용 기판 (210) 의 제조 효율을 대폭 향상시켜, 제조 비용을 삭감할 수 있다. 또, 세라믹스 기판 (211) 의 양면에 동시에 구리판 (22) 및 알루미늄판 (23) 을 접합하므로, 접합 시에 있어서의 세라믹스 기판 (211) 의 휨의 발생을 억제할 수 있다.
이상, 본 발명의 제 3 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 일은 없고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
예를 들어, 구리 부재로서의 구리판 (회로층) 과 세라믹스 부재로서의 세라믹스 기판을 접합한 파워 모듈용 기판을 예로 들어 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없고, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 알루미나로 이루어지는 세라믹스 부재가 접합된 구리/세라믹스 접합체이면 된다.
또, 구리판을 접합함으로써 회로층을 형성하는 것으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없고, 구리판을 접합함으로써 금속층을 형성해도 된다.
또한, 구리판을, 무산소동 또는 터프 피치동의 압연판으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없고, 다른 구리 또는 구리 합금으로 구성된 것이어도 된다.
또, 금속층을 구성하는 알루미늄판을, 순도 99.99 mass％ 이상의 순알루미늄의 압연판으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없고, 순도 99 mass％ 이상의 알루미늄 (2N 알루미늄) 등, 다른 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된 것이어도 된다.
또한, 금속층은, 알루미늄판으로 구성한 것으로 한정되는 일은 없고, 그 밖의 금속으로 구성한 것이어도 된다.
또, 질화물 세라믹스로서 98 ％ 알루미나 (Al2O3 순도 98 mass％ 이상) 를 예로 들어 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없고, 92 ％ 알루미나 (Al2O3 순도 92 mass％ 이상), 96 ％ 알루미나 (Al2O3 순도 96 mass％ 이상), 지르코니아 강화 알루미나 등의 다른 알루미나를 적용해도 된다.
또한, 활성 원소로서 Ti 를 예로 들어 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없고, Zr, Hf 등의 다른 활성 원소를 적용해도 된다.
또한, 제 3 실시형태에서는, Cu-P-Sn-Ni 계 브레이징재를 사용하여 세라믹스 기판과 구리판을 접합하는 것으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없고, 다른 브레이징재를 사용해도 된다.
또, 제 3 실시형태에서는, 세라믹스 기판과 구리판의 사이에 Cu-P-Sn-Ni 계 브레이징재, Ti 박을 개재시키는 것으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없고, Cu-P-Sn-Ni 페이스트, Ti 페이스트 등을 개재시켜도 된다.
또한, 히트 싱크는, 제 3 실시형태에서 예시한 것으로 한정되는 일은 없고, 히트 싱크의 구조에 특별히 한정은 없다.
또, 히트 싱크의 천판부나 방열판과 금속층의 사이에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 알루미늄을 포함하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층을 형성해도 된다.
실시예
본 발명의 제 1 실시형태 및 제 2 실시형태의 유효성을 확인하기 위해서 실시한 확인 실험에 대해 설명한다.
＜실시예 1＞
표 1 에 나타내는 세라믹스 기판, 브레이징재, 활성 원소, 구리판을 사용하여, 구리/세라믹스 접합체 (파워 모듈용 기판) 를 형성했다.
상세히 서술하면, 가로 세로 40 mm 로 두께 0.635 mm 의 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, 표 1 에 나타내는 브레이징재 및 활성 원소를 개재시켜, 가로 세로 38 mm 의 두께 0.3 mm 의 구리판 (무산소동의 압연판) 을 적층하고, 이들을 적층 방향으로 압력 6 kgf/㎠ 로 가압한 상태로 진공 가열로 내 (진공도 5 × 10-4 Pa) 에 장입하고, 가열함으로써 파워 모듈용 기판을 제작했다. 또한, 가열 처리 공정의 조건을 표 2 에 나타낸다.
또한, 본 발명예 A4 에 대해서는, Cu-7 mass％ P-15 mass％ Sn-10 mass％ Ni 분말과 Ti 분말로 이루어지는 페이스트를 브레이징재 및 활성 원소로서 사용했다. 또한, 페이스트의 도포 두께는 85 ㎛ 로 했다.
이와 같이 하여 얻어진 파워 모듈용 기판에 대해, 회로층 (구리판) 과 세라믹스 기판의 접합 계면의 관찰을 실시함과 함께, 초기 접합률, 냉열 사이클 후의 접합률을 평가했다.
(접합 계면 관찰)
구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을, 투과형 전자 현미경 (닛폰 전자 주식회사 제조 JEM-2010F) 을 사용하여 관찰했다.
본 발명예 A1 의 계면 관찰 결과, 및 원소 매핑을 도 6 에 나타낸다.
활성 원소 산화물층의 두께는, 배율 20만배로 접합 계면을 관찰하고, 활성 원소의 농도가 35 at％ ∼ 70 at％ 의 범위 내에 있는 지점을 활성 원소 산화물층으로 간주하여, 그 두께를 측정했다. 또한, 활성 원소의 농도 (at％) 는, P 농도 (at％), 활성 원소 농도 (at％) 및 O 농도 (at％) 를 투과형 전자 현미경 부속의 EDS 로 측정하고, P 농도, 활성 원소 농도 및 O 농도의 합계를 100 으로 했을 때의 활성 원소의 농도로 했다. 활성 원소 산화물층의 두께는, 5 시야의 평균치로 했다.
P 농도 (mass％) 는, 활성 원소 산화물층 중의 P 농도 (mass％), Ti 농도 (mass％) 및 O 농도 (mass％) 를 투과형 전자 현미경 부속의 EDS 로 측정하고, P 농도, Ti 농도 및 O 농도의 합계를 100 으로 했을 때의 P 농도를 산출하여, 활성 원소 산화물층 중의 P 농도로 했다. 또, P 농도에 대해서는, 측정점을 5 점으로 하고, 그 평균치로 했다.
결과를 표 2 에 나타낸다.
(냉열 사이클 시험)
냉열 사이클 시험은, 냉열 충격 시험기 에스펙크사 제조 TSB-51 을 사용하여, 파워 모듈용 기판에 대해, 액상 (플루오리너트) 으로, -40 ℃ × 5 분 ←→ 150 ℃ × 5 분의 2000 사이클을 실시했다.
(접합률)
구리판과 세라믹스 기판의 접합률은, 초음파 탐상 장치를 사용하여 이하의 식을 사용하여 구했다. 여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적, 즉 구리판의 면적으로 했다. 초음파 탐상 이미지에 있어서 박리는 접합부 내의 백색부로 나타내는 점에서, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 했다.
(접합률) =｛(초기 접합 면적) - (박리 면적)｝/(초기 접합 면적)
Figure 112016077542703-pct00001
Figure 112016077542703-pct00002
구리판과 세라믹스 기판을, Ag-Cu-Ti 브레이징재를 사용하여 저온 조건에서 접합한 종래예 A1 에서는, 접합되지 않았다.
활성 원소 산화물층의 두께가 5 nm 미만으로 된 비교예 A1 에서는, 초기 접합률이 낮아, 접합이 불충분했다.
활성 원소 산화물층의 두께가 220 nm 를 초과하는 비교예 A2 에서는, 냉열 사이클 후에 세라믹스 기판에 균열이 생겼다. 접합 계면에 활성 원소 산화물층이 두껍게 형성되었기 때문에 세라믹스 기판에 가해지는 열 응력이 증가했기 때문이라고 추측된다.
이에 대하여, 활성 원소 산화물층의 두께가 5 nm 이상 220 nm 이하로 된 본 발명예 A1 - 본 발명예 A13 에 있어서는, 비교적 저온의 조건이어도 초기 접합률이 높아, 세라믹스 기판과 구리판이 확실하게 접합되어 있었다. 또, 냉열 사이클 후의 접합률이 높아, 접합 신뢰성이 향상되어 있었다.
＜실시예 2＞
표 3 에 나타내는 세라믹스 기판, 브레이징재, 활성 원소, 구리판을 사용하여, 구리/세라믹스 접합체 (파워 모듈용 기판) 를 형성했다.
상세히 서술하면, 가로 세로 40 mm 로 두께 0.635 mm 의 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, 표 3 에 나타내는 브레이징재 및 활성 원소를 개재시켜, 가로 세로 38 mm 의 두께 0.3 mm 의 구리판 (무산소동의 압연판) 을 적층하고, 이들을 적층 방향으로 압력 6 kgf/㎠ 로 가압한 상태로 진공 가열로 내 (진공도 5 × 10-4 Pa) 에 장입하고, 가열함으로써 파워 모듈용 기판을 제작했다. 또한, 가열 처리 공정의 조건을 표 4 에 나타낸다.
이와 같이 하여 얻어진 파워 모듈용 기판에 대해, 회로층 (구리판) 과 세라믹스 기판의 접합 계면의 관찰을 실시함과 함께, 초기 접합률, 냉열 사이클 후의 접합률을 평가했다. 평가 방법은 실시예 1 과 동일하게 했다.
또한, 접합 계면 관찰에서는, 활성 원소 산화물층의 두께와 Cu-Al 공정층의 두께 및 조성 분석을, 투과형 전자 현미경 부속의 EDS 를 사용하여 실시했다.
Cu-Al 공정층은, 조성이 Cu 농도와 Al 농도를 합하여 100 at％ 로 했을 때의 Cu 농도가 60 at％ ∼ 90 at％ 인 지점을 Cu-Al 공정층으로 간주하고, 그 두께를 측정했다.
또한, Cu-Al 공정층의 조성은, 측정점을 5 점으로 하여, 그 평균치로 했다. 관찰 결과를 도 7 에 나타낸다. 또, 평가 결과를 표 4 에 나타낸다.
Figure 112016077542703-pct00003
Figure 112016077542703-pct00004
Cu-Al 계 브레이징재를 사용하여, 활성 원소 산화물층의 두께가 5 nm 이상 220 nm 이하로 된 본 발명예 A14 - 본 발명예 A22 에 있어서는, 비교적 저온의 조건이어도 초기 접합률이 높아, 세라믹스 기판과 구리판이 확실하게 접합되어 있었다. 특히, Cu-Al 공정층의 두께가 10 ㎛ 이상 60 ㎛ 이하로 된 본 발명예 A15 - 본 발명예 A17 및 본 발명예 A19 - 본 발명예 A22 에서는, 냉열 사이클 후의 접합률이 높아, 접합 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판을 얻을 수 있었다.
이상의 결과로부터, 본 발명에 의하면, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와 질화물 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재가 저온의 조건에서도 확실하게 접합된 구리/세라믹스 접합체 (파워 모듈용 기판) 를 제공하는 것이 가능한 것이 확인되었다.
＜실시예 3＞
본 발명의 제 3 실시형태의 유효성을 확인하기 위해서 실시한 확인 실험에 대해 설명한다.
표 5 에 나타내는 세라믹스 기판 (주식회사 MARUWA 사 제조), 브레이징재, 활성 원소, 구리판을 사용하여, 구리/세라믹스 접합체 (파워 모듈용 기판) 를 형성했다.
상세히 서술하면, 가로 세로 40 mm 로 두께 0.38 mm 의 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, 표 5 에 나타내는 브레이징재 및 활성 원소를 개재시켜, 가로 세로 38 mm 의 두께 0.3 mm 의 구리판 (무산소동의 압연판) 을 적층하고, 이들을 적층 방향으로 압력 7 kgf/㎠ 로 가압한 상태로 진공 가열로 내 (진공도 5 × 10-4 Pa) 에 장입하고, 가열함으로써 파워 모듈용 기판을 제작했다. 또한, 가열 처리 공정의 조건을 표 6 에 나타낸다.
또한, 본 발명예 B4 에 대해서는, Cu-7 mass％ P-15 mass％ Sn-10 mass％ Ni 분말과 Ti 분말로 이루어지는 페이스트를 브레이징재 및 활성 원소로서 사용했다. 또한, 페이스트의 도포 두께는 80 ㎛ 로 했다.
이와 같이 하여 얻어진 파워 모듈용 기판에 대해, 회로층 (구리판) 과 세라믹스 기판의 접합 계면의 관찰을 실시함과 함께, 초기 접합률, 냉열 사이클 후의 접합률을 평가했다. 표 6 의 접합 계면에서 나타내는 각 층은, 활성 원소 산화물층이다. 평가 방법은 실시예 1 과 동일하게 했다.
평가 결과를 표 6 에 나타낸다. 본 발명예 B2 의 계면 관찰 결과를 도 11 에 나타낸다.
Figure 112016077542703-pct00005
Figure 112016077542703-pct00006
구리판과 세라믹스 기판을, Ag-Cu-Ti 브레이징재를 사용하여 저온의 조건에서 접합한 종래예 B1 에서는, 접합되지 않았다.
활성 원소 산화물층의 두께가 5 nm 미만으로 된 비교예 B1 에서는, 초기 접합률이 낮아, 접합이 불충분했다.
활성 원소 산화물층의 두께가 220 nm 를 초과하는 비교예 B2 에서는, 냉열 사이클 후에 세라믹스 기판에 균열이 생겼다. 접합 계면에 활성 원소 산화물층이 두껍게 형성되었기 때문에 세라믹스 기판에 가해지는 열 응력이 증가했기 때문이라고 추측된다.
이에 대하여, 활성 원소 산화물층의 두께가 5 nm 이상 220 nm 이하로 된 본 발명예 B1 - 본 발명예 B11 에 있어서는, 비교적 저온의 조건이어도 초기 접합률이 높아, 세라믹스 기판과 구리판이 확실하게 접합되어 있었다. 또, 활성 원소 산화물층에 있어서의 인 농도가, 1.5 mass％ 이상 10 mass％ 이하의 범위 내인 본 발명예 B1 - B6 및 B9 - B11 에서는, 냉열 사이클 후의 접합률이 90 ％ 이상으로 높아, 접합 신뢰성이 향상되어 있었다.
이상의 결과로부터, 본 발명에 의하면, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와 알루미나로 이루어지는 세라믹스 부재가 저온의 조건에서도 확실하게 접합된 구리/세라믹스 접합체 (파워 모듈용 기판) 를 제공하는 것이 가능한 것이 확인되었다.
10, 210 : 파워 모듈용 기판
11, 211 : 세라믹스 기판
12 : 회로층
13 : 금속층
22 : 구리판
24, 224 : Cu-P 계 브레이징재
25, 225 : Ti 박
30, 130, 230 : 활성 원소 산화물층
131 : Cu-Al 공정층

Claims (7)

  1. 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 질화물 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재가 접합된 구리/세라믹스 접합체로서,
    상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면에는, 활성 원소와 산소를 함유하는 활성 원소 산화물층이 형성되어 있고,
    이 활성 원소 산화물층의 두께가 5 nm 이상 220 nm 이하의 범위 내로 되어 있으며,
    상기 활성 원소가 Ti, Zr, Hf, Nb 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 원소 산화물층은, P 를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 활성 원소 산화물층과 상기 구리 부재의 사이에, Cu-Al 공정층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  4. 질화물 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 기판의 표면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합된 파워 모듈용 기판으로서,
    제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 구리/세라믹스 접합체로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  5. 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 알루미나로 이루어지는 세라믹스 부재가 접합된 구리/세라믹스 접합체로서,
    상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면에는, 활성 원소와 산소와 인을 함유하는 활성 원소 산화물층이 형성되어 있고,
    이 활성 원소 산화물층의 두께가 5 nm 이상 220 nm 이하의 범위 내로 되어 있으며,
    상기 활성 원소가 Ti, Zr, Hf 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 활성 원소 산화물층에 있어서의 인 농도가, 1.5 mass％ 이상 10 mass％ 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  7. 알루미나로 이루어지는 세라믹스 기판의 표면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합된 파워 모듈용 기판으로서,
    제 5 항 또는 제 6 항에 기재된 구리/세라믹스 접합체로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
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