KR101795812B1 - 파워 모듈용 기판, 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법 - Google Patents

파워 모듈용 기판, 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법 Download PDF

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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 금속판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합되고, 열 사이클 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈용 기판을 구비한 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공한다.
(해결 수단) 세라믹스 기판 (11) 의 표면에, 알루미늄으로 이루어지는 금속판 (12, 13) 이 적층되어 접합된 파워 모듈용 기판 (10) 으로서, 금속판 (12, 13) 에는, Si 와 Cu 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있고, 금속판 (12, 13) 중 세라믹스 기판 (11) 과의 계면 근방에 있어서의 Si, Cu 및 상기 첨가 원소의 농도 합계가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

파워 모듈용 기판, 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법{SUBSTRATE FOR POWER MODULE, SUBSTRATE FOR POWER MODULE EQUIPTTED WITH HEAT SINK, POWER MODULE, AND MANUFACTURING METHOD OF SUBSTRATE FOR POWER MODULE}
본 발명은 대전류, 고전압을 제어하는 반도체 장치에 사용되는 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈용 기판을 구비한 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 중에서도 전력 공급을 위한 파워 소자는 발열량이 비교적 높기 때문에, 이것을 탑재하는 기판으로는, 예를 들어 특허문헌 1 에 나타내는 바와 같이, AlN (질화알루미늄) 으로 이루어지는 세라믹스 기판 상에 Al (알루미늄) 의 금속판이 땜납재를 개재하여 접합된 파워 모듈용 기판이 사용된다.
또한, 이 금속판은 회로층으로서 형성되고, 그 금속판 상에는 땜납재를 개재하여 파워 소자 (반도체 소자) 가 탑재된다.
또한, 세라믹스 기판의 하면에도 방열을 위해서 Al 등의 금속판이 접합되어 금속층이 되고, 이 금속층을 개재하여 방열판 상에 파워 모듈용 기판 전체가 접합된 것이 제안되어 있다.
또한, 회로층을 형성하는 수단으로는, 세라믹스 기판에 금속판을 접합한 후에 이 금속판에 회로 패턴을 형성하는 방법 외에, 예를 들어 특허문헌 2 에 개시되어 있는 바와 같이, 미리 회로 패턴 형상으로 형성된 금속편을 세라믹스 기판에 접합하는 방법이 제안되어 있다.
여기서, 상기 회로층 및 상기 금속층으로서의 금속판과 세라믹스 기판의 양호한 접합 강도를 얻기 위해서, 예를 들어 하기 특허문헌 3 에, 세라믹스 기판의 표면 거칠기를 0.5 ㎛ 미만으로 한 기술이 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 2003-086744호 일본 공개특허공보 2008-311294호 일본 공개특허공보 평3-234045호
그러나, 금속판을 세라믹스 기판에 접합하는 경우, 단순히 세라믹스 기판의 표면 거칠기를 저감시켜도 충분히 높은 접합 강도가 얻어지지 않고, 신뢰성의 향상을 도모할 수 없다는 문제가 있었다. 예를 들어, 세라믹스 기판의 표면에 대하여, 건식으로 Al2O3 입자에 의한 호닝 처리를 실시하여, 표면 거칠기를 Ra = 0.2 ㎛ 로 해도, 박리 시험에서 계면 박리가 발생하는 경우가 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 연마법에 의해 표면 거칠기를 Ra = 0.1 ㎛ 이하로 해도, 역시 마찬가지로 계면 박리가 발생하는 경우가 있었다.
특히 최근에는, 파워 모듈의 소형화·박육화가 진행됨과 함께, 그 사용 환경도 엄격해지고, 전자 부품으로부터의 발열량이 커지는 경향이 있어, 전술한 바와 같이 방열판 상에 파워 모듈용 기판을 배치 형성할 필요가 있다. 이 경우, 파워 모듈용 기판이 방열판에 의해 구속되기 때문에, 열 사이클 부하시에 금속판과 세라믹스 기판의 접합 계면에 큰 전단력이 작용하게 되어, 종래보다 더욱 세라믹스 기판과 금속판 사이의 접합 강도의 향상 및 신뢰성의 향상이 요구되고 있다.
본 발명은 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 금속판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합되고, 열 사이클 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈용 기판을 구비한 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 과제를 해결하여 상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판의 표면에, 알루미늄으로 이루어지는 금속판이 적층되어 접합된 파워 모듈용 기판으로서, 상기 금속판에는, Si 와 Cu 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용(固溶)되어 있고, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에 있어서의 Si, Cu 및 상기 첨가 원소의 농도 합계가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 금속판에 Si 와 Cu 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있기 때문에, 금속판의 접합 계면측 부분이 고용 강화되게 된다. 이로써, 금속판 부분에서의 파단을 방지할 수 있고, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에 있어서의 Si, Cu 및 상기 첨가 원소의 농도 합계가 0.05 질량％ 이상으로 되어 있기 때문에, 금속판의 접합 계면측 부분을 확실하게 고용 강화시킬 수 있다. 또한, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에 있어서의 Si, Cu 및 상기 첨가 원소의 농도 합계가 5 질량％ 이하로 되어 있기 때문에, 금속판의 접합 계면의 강도가 과잉으로 높아지는 것을 방지할 수 있고, 이 파워 모듈용 기판에 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 열 응력을 금속판에서 흡수할 수 있어, 세라믹스 기판의 균열 등을 방지할 수 있다.
또한, 상기 세라믹스 기판의 폭이 상기 금속판의 폭보다 넓게 설정되고, 상기 금속판의 폭 방향 단부(端部)에, Cu 를 함유하는 화합물이 알루미늄 중에 석출된 Cu 석출부가 형성된 구성을 채용하는 것이 바람직하다.
이 경우, 금속판의 폭 방향 단부에 Cu 석출부가 형성되어 있기 때문에, 금속판의 폭 방향 단부를 석출 강화시킬 수 있게 된다. 이로써, 금속판의 폭 방향 단부로부터의 파단의 발생을 방지할 수 있고, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 세라믹스 기판이 AlN 또는 Al2O3 로 구성되어 있고, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에, Si 농도가 상기 금속판 중의 Si 농도의 5 배 이상으로 된 Si 고농도부가 형성되어 있어도 된다.
이 경우, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에, Si 농도가 상기 금속판 중의 Si 농도의 5 배 이상으로 된 Si 고농도부가 형성되어 있기 때문에, 접합 계면에 존재하는 Si 원자에 의해 AlN 또는 Al2O3 로 이루어지는 세라믹스 기판과 알루미늄으로 이루어지는 금속판의 접합 강도가 향상되게 된다. 또한, 여기서 금속판 중의 Si 농도란, 금속판 중 접합 계면으로부터 일정 거리 (예를 들어 50 ㎚ 이상) 떨어진 부분에 있어서의 Si 농도이다.
또한, 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, 그 산소 고농도부의 두께가 4 ㎚ 이하로 되어 있어도 된다.
이 경우, AlN 또는 Si3N4 로 이루어지는 세라믹스 기판과 알루미늄으로 이루어지는 금속판의 접합 계면에, 산소 농도가 상기 금속판 중 및 상기 세라믹스 기판 중의 산소 농도보다 높게 된 산소 고농도부가 형성되어 있기 때문에, 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 있기 때문에, 열 사이클을 부하하였을 때의 응력에 의해 산소 고농도부에 크랙이 발생하는 것이 억제된다.
또한, 여기서 금속판 중 및 세라믹스 기판 중의 산소 농도란, 금속판 및 세라믹스 기판 중 접합 계면으로부터 일정 거리 (예를 들어 50 ㎚ 이상) 떨어진 부분 에 있어서의 산소 농도이다.
본 발명의 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판은, 전술한 파워 모듈용 기판과, 이 파워 모듈용 기판을 냉각시키는 히트 싱크를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판에 의하면, 파워 모듈용 기판을 냉각시키는 히트 싱크를 구비하고 있기 때문에, 파워 모듈용 기판에 발생한 열을 히트 싱크에 의해 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 파워 모듈은, 전술한 파워 모듈용 기판과, 그 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 방법은, 세라믹스 기판의 표면에, 알루미늄으로 이루어지는 금속판이 적층되어 접합된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에, Si 와 Cu 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, Si, Cu 및 상기 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 응고시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 접합하는 응고 공정을 갖고, 상기 고착 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에, Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 0.1 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하의 범위 내에서 개재시키고, 상기 가열 공정에 있어서, 상기 고착층의 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 상기 금속판측으로 확산시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 상기 용융 금속 영역을 형성하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에, Si 와 Cu 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성하는 고착 공정을 구비하고 있기 때문에, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에는, Si 와 Cu 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 개재되게 된다. 여기서, Si 와 Cu, 그리고 Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 와 같은 원소는, 알루미늄의 융점을 강하시키는 원소이기 때문에, 비교적 저온 조건에 있어서 금속판과 세라믹스 기판의 계면에 용융 금속 영역을 형성할 수 있다. 또한, Cu 는, Al 에 대하여 반응성이 높은 원소이기 때문에, 접합 계면 근방에 Cu 가 존재함으로써 알루미늄으로 이루어지는 금속판의 표면이 활성화되게 된다.
따라서, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건에서 접합해도, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합할 수 있게 된다.
또한, 가열 공정에 있어서, 고착층의 Si 와, Cu 와, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 상기 금속판측으로 확산시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 상기 용융 금속 영역을 형성하고, 이 용융 금속 영역을 응고시킴으로써, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판을 접합하는 구성으로 하고 있기 때문에, Al-Si 계의 땜납재 박(箔) 등을 사용할 필요가 없어, 저비용으로, 금속판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합된 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.
이와 같이, 땜납재 박을 사용하지 않고 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 접합할 수 있기 때문에, 땜납재 박의 위치 맞춤 작업 등을 실시할 필요가 없어, 예를 들어, 미리 회로 패턴 형상으로 형성된 금속편을 세라믹스 기판에 접합하는 경우에도 위치 편차 등에 의한 트러블을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 상기 고착 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 개재되는 Si, Cu 및 상기 첨가 원소의 고착량을 0.1 ㎎/㎠ 이상으로 하고 있기 때문에, 세라믹스 기판과 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 확실하게 형성할 수 있어, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합할 수 있게 된다.
또한, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 개재되는 Si, Cu 및 상기 첨가 원소의 고착량을 10 ㎎/㎠ 이하로 하고 있기 때문에, 고착층에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 세라믹스 기판과 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 확실하게 형성할 수 있다. 또한, Si, Cu 및 상기 첨가 원소가 과잉으로 금속판측으로 확산되어 계면 근방의 금속판의 강도가 과잉으로 높아지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 파워 모듈용 기판에 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 열 응력을 금속판에서 흡수할 수 있어, 세라믹스 기판의 균열 등을 방지할 수 있다.
또한, 상기 고착 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에, Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 0.1 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하의 범위 내에서 개재시키고 있기 때문에, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에 있어서의 Si, Cu 및 상기 첨가 원소의 농도 합계가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 된 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.
게다가, 금속판 및 세라믹스 기판에 직접 고착층을 형성하고 있기 때문에, 산화 피막은 금속판의 표면에만 형성되게 되어, 금속판 및 세라믹스 기판의 계면에 존재하는 산화 피막의 합계 두께가 얇아지므로, 초기 접합의 수율이 향상된다.
또한, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 직접 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시키는 구성으로 하고 있지만, 생산성의 관점에서, 금속판의 접합면에 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시키는 것이 바람직하다. 세라믹스 기판의 접합면에 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시키는 경우, 한 장마다의 세라믹스 기판에 각각 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시켜야 한다. 반면, 금속판의 접합면에 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시키는 경우에는, 롤 형상으로 감긴 장척의 금속조에 대하여, 그 일단부터 타단까지 연속적으로 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시킬 수 있게 되어 생산성이 우수하다.
또한, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 각각 단독으로 고착시켜 Cu 층, Si 층 및 첨가 원소층을 형성해도 된다. 혹은, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 동시에 고착시켜 Si 와 Cu 와 상기 첨가 원소의 고착층을 형성해도 된다.
여기서, 상기 고착 공정에서는, Si, Cu 및 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시키는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
이 경우, Si, Cu 및 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시키고 있기 때문에, 형성되는 고착층이 Al 을 함유하게 되고, 가열 공정에 있어서, 이 고착층이 우선적으로 용융되어 용융 금속 영역을 확실하게 형성할 수 있게 되어, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합할 수 있다. 또한, Mg, Ca, Li 등의 산화 활성 원소의 산화를 방지할 수 있다. 또한, Si, Cu 및 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시키려면, Si, Cu 및 상기 첨가 원소와 Al 을 동시에 증착시켜도 되고, Si, Cu 및 상기 첨가 원소와 Al 의 합금을 타깃으로 하여 스퍼터링해도 된다. 또한, Si, Cu 및 첨가 원소와 Al 을 적층해도 된다.
또한, 상기 고착 공정은, 도금, 증착, CVD, 스퍼터링, 콜드 스프레이, 또는 분말이 분산되어 있는 페이스트 및 잉크 등의 도포에 의해, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시키는 것으로 하는 것이 바람직하다.
이 경우, 도금, 증착, CVD, 스퍼터링, 콜드 스프레이, 또는 분말이 분산되어 있는 페이스트 및 잉크 등의 도포에 의해, Si, Cu 및 상기 첨가 원소가 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 확실하게 고착되므로, 세라믹스 기판과 금속판의 접합 계면에 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 확실하게 개재시킬 수 있게 된다. 또한, Si, Cu 및 상기 첨가 원소의 고착량을 양호한 정밀도로 조정할 수 있고, 용융 금속 영역을 확실하게 형성하여, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 금속판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합되고, 열 사이클 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈용 기판을 구비한 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공할 수 있게 된다.
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 Si 농도, Cu 농도 및 첨가 원소 농도를 나타내는 설명도이다.
도 3 은, 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층 (금속판) 과 세라믹스 기판의 접합 계면의 모식도이다.
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 기판의 회로층 및 금속층의 Si 농도, Cu 농도 및 첨가 원소 농도를 나타내는 설명도이다.
도 8 은, 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층 (금속판) 과 세라믹스 기판의 접합 계면의 모식도이다.
도 9 는, 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 10 은, 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 도 1 에 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈을 나타낸다.
이 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, 히트 싱크 (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 것으로서, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또한, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다. 또한 본 실시형태에서는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 세라믹 기판 (11) 의 폭 (도 1 에 있어서의 좌우 방향 길이) 은, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 폭보다 넓게 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 도전성을 갖는 금속판 (22) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바, 4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판 (22) 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
금속층 (13) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 금속판 (23) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 은, 회로층 (12) 과 마찬가지로, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바, 4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판 (23) 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
히트 싱크 (4) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (10) 을 냉각시키기 위한 것으로서, 파워 모듈용 기판 (10) 과 접합되는 천판부 (5) 와, 냉각 매체 (예를 들어, 냉각수) 를 유통시키기 위한 유로 (6) 를 구비하고 있다. 히트 싱크 (4) (천판부 (5)) 는 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 본 실시형태에 있어서는 A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 히트 싱크 (4) 의 천판부 (5) 와 금속층 (13) 사이에는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 알루미늄을 함유하는 복합재 (예를 들어, AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층 (15) 이 형성되어 있다.
그리고, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 접합 계면 (30) 의 폭 방향 중앙부에 있어서는, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 에 Si 와 Cu 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있다. 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방에는, 접합 계면 (30) 으로부터 적층 방향으로 이간됨에 따라서 점차 Si 농도, Cu 농도 및 상기 첨가 원소의 농도가 저하되는 농도 경사층 (33) 이 형성되어 있다. 여기서, 이 농도 경사층 (33) 의 접합 계면 (30) 측 (회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방) 의 Si, Cu 및 상기 첨가 원소의 농도 합계가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
또한, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방의 Si, Cu 및 상기 첨가 원소의 농도는, EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해, 접합 계면 (30) 으로부터 50 ㎛ 의 위치에서 5 점 측정한 평균값이다. 또한, 도 2 의 그래프는, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 중앙 부분에 있어서 적층 방향으로 라인 분석을 실시하고, 전술한 50 ㎛ 위치에서의 농도를 기준으로 하여 구한 것이다.
여기서, 본 실시형태에서는, Ge 를 첨가 원소로서 사용하고 있으며, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방의 Ge 농도가 0.05 질량％ 이상 1 질량％ 이하, Si 농도가 0.05 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하, Cu 농도가 0.05 질량％ 이상 1 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
또한, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 접합 계면 (30) 의 폭 방향 단부에 있어서는, 알루미늄의 모상(母相) 중에 Cu 를 함유하는 화합물이 석출된 Cu 석출부 (35) 가 형성되어 있다. 여기서, 이 Cu 석출부 (35) 에 있어서의 Cu 농도는 0.5 질량％ 이상 5.0 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 알루미늄 중의 고용량을 대폭 초과하는 Cu 가 함유되어 있다.
또한, Cu 석출부 (35) 의 Cu 농도는, EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해 5 점 측정한 평균값이다.
또한, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 접합 계면 (30) 을 투과 전자 현미경에 있어서 관찰한 경우에는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 접합 계면 (30) 에 Si 가 농축된 Si 고농도부 (32) 가 형성되어 있다. 이 Si 고농도부 (32) 에 있어서는, Si 농도가 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 중의 Si 농도보다 5 배 이상 높게 되어 있다. 또한, 이 Si 고농도부 (32) 의 두께 (H) 는 4 ㎚ 이하로 되어 있다.
여기서, 관찰하는 접합 계면 (30) 은, 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 계면측 단부 사이의 중앙을 기준면 (S) 으로 한다.
이하에, 전술한 구성의 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법에 대하여 도 4 내지 도 6 을 참조하여 설명한다.
(고착 공정 (S1))
먼저, 도 5 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (22, 23) 의 각각의 접합면에, 스퍼터링에 의해 Si 및 Cu, 그리고 Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, 고착층 (24, 25) 을 형성한다.
여기서, 본 실시형태에서는, Ge 를 첨가 원소로서 사용하고 있으며, 고착층 (24, 25) 에 있어서의 Si 량은 0.002 ㎎/㎠ 이상 1.2 ㎎/㎠ 이하, Cu 량은 0.08 ㎎/㎠ 이상 2.7 ㎎/㎠ 이하, Ge 량은 0.002 ㎎/㎠ 이상 2.5 ㎎/㎠ 이하로 설정되어 있다.
(적층 공정 (S2))
다음으로, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (22) 을 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면측에 적층하고, 또한 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, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 사이에 각각 고착층 (24, 25) (Si, Cu 및 상기 첨가 원소) 을 개재시키고 있는 것이다. 이와 같이 하여 적층체 (20) 를 형성한다.
(가열 공정 (S3))
다음으로, 적층 공정 (S2) 에서 형성된 적층체 (20) 를, 그 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태에서 가열로 내에 장입하고 가열하여, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 각각 용융 금속 영역 (26, 27) 을 형성한다. 이 용융 금속 영역 (26, 27) 은, 도 6에 나타내는 바와 같이, 고착층 (24, 25) 의 Si, Cu 및 상기 첨가 원소가 금속판 (22, 23) 측으로 확산됨으로써, 금속판 (22, 23) 의 고착층 (24, 25) 근방의 Si 농도, Cu 농도 및 상기 첨가 원소의 농도 (본 실시형태에서는 Ge 농도) 가 상승하여 융점이 낮아짐으로써 형성되는 것이다. 또한, 상기 서술한 압력이 1 kgf/㎠ 미만인 경우에는, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 접합을 양호하게 실시할 수 없게 될 우려가 있다. 또한, 상기 서술한 압력이 35 kgf/㎠ 를 초과한 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, 가열로 내의 분위기를 N2 가스 분위기로 하고 있으며, 가열 온도는 550 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
(응고 공정 (S4))
다음으로, 용융 금속 영역 (26, 27) 이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지시켜 둔다. 그러면, 용융 금속 영역 (26, 27) 중의 Si, Cu 및 첨가 원소 (본 실시형태에서는 Ge) 가 더욱 금속판 (22, 23) 측으로 확산되어 가게 된다. 이로써, 용융 금속 영역 (26, 27) 이었던 부분의 Si 농도, Cu 농도 및 상기 첨가 원소의 농도 (본 실시형태에서는 Ge 농도) 가 서서히 저하되어 가고 융점이 상승하게 되어, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 가게 된다. 요컨대, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 은, 이른바, 등온 확산 접합 (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding) 에 의해 접합되어 있는 것이다. 이와 같이 하여 응고가 진행된 후에, 상온까지 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 Si, Cu 및 상기 첨가 원소 (본 실시형태에서는 Ge) 를 고착시키는 고착 공정 (S1) 을 구비하고 있기 때문에, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면 (30) 에는 Si, Cu 및 상기 첨가 원소가 개재되게 된다. 여기서 Cu 는, Al 에 대하여 반응성이 높은 원소이기 때문에, 접합 계면 (30) 에 Cu 가 존재함으로써 알루미늄으로 이루어지는 금속판 (22, 23) 의 표면이 활성화되게 된다. 따라서, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 을 강고하게 접합할 수 있게 된다.
또한, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 이, 금속판 (22, 23) 의 접합면에 형성된 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 함유하는 고착층 (24, 25) 의 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 금속판 (22, 23) 측으로 확산시킴으로써 용융 금속 영역 (26, 27) 을 형성하고, 이 용융 금속 영역 (26, 27) 중의 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 금속판 (22, 23) 에 확산시킴으로써 응고시켜 접합하고 있기 때문에, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건에서 접합해도, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 을 강고하게 접합할 수 있게 된다. 특히, Si, Cu 및 Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 와 같은 원소는 알루미늄의 융점을 강하시키는 것이기 때문에, 저온 조건에서의 접합이 가능해진다.
또한, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 접합 계면 (30) 의 폭 방향 중앙부에 있어서는, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 에 Si, Cu 및 상기 첨가 원소가 고용되어 있고, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 각각의 접합 계면 (30) 측의 Si, Cu 및 상기 첨가 원소의 농도 합계가, 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, Ge 를 첨가 원소로서 사용하고 있으며, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방의 Ge 농도가 0.05 질량％ 이상 1 질량％ 이하, Si 농도가 0.05 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하, Cu 농도가 0.05 질량％ 이상 1 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있기 때문에, 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.
또한, 가열 공정 (S3) 에 있어서 Si, Cu 및 상기 첨가 원소가 충분히 금속판 (22, 23) 측으로 확산되어 있어, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스판 (11) 이 강고하게 접합되어 있게 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (11) 이 AlN 으로 구성되어 있고, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면 (30) 에, Si 농도가 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 중의 Si 농도의 5 배 이상으로 된 Si 고농도부 (32) 가 형성되어 있기 때문에, 접합 계면 (30) 에 존재하는 Si 에 의해 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 금속판의 접합면에 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시켜 고착층 (24, 25) 을 형성하는 고착 공정 (S1) 을 구비하고 있고, 가열 공정 (S3) 에 있어서, 고착층 (24, 25) 의 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 금속판 (22, 23) 측으로 확산시킴으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 계면에 용융 금속 영역 (26, 27) 을 형성하는 구성으로 하고 있기 때문에, 제조가 곤란한 Al-Si 계의 땜납재 박을 사용할 필요가 없어, 저비용으로, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 이 확실하게 접합된 파워 모듈용 기판 (10) 을 제조할 수 있게 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 고착 공정 (S1) 에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 계면에 개재되는 Si 량, Cu 량 및 Ge 량을, Si；0.002 ㎎/㎠ 이상, Cu；0.08 ㎎/㎠ 이상, Ge；0.002 ㎎/㎠ 이상으로 하고 있기 때문에, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 계면에 용융 금속 영역 (26, 27) 을 확실하게 형성할 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 을 강고하게 접합할 수 있게 된다.
또한, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 계면에 개재되는 Si 량, Cu량 및 Ge 량을, Si；1.2 ㎎/㎠ 이하, Cu；2.7 ㎎/㎠ 이하, Ge；2.5 ㎎/㎠ 이하로 하고 있기 때문에, 고착층 (24, 25) 에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 계면에 용융 금속 영역 (26, 27) 을 확실하게 형성할 수 있다. 또한, Si, Cu 및 상기 첨가 원소가 과잉으로 금속판 (22, 23) 측으로 확산되어 계면 근방의 금속판 (22, 23) 의 강도가 과잉으로 높아지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 파워 모듈용 기판 (10) 에 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 열 응력을 회로층 (12), 금속층 (13) (금속판 (22, 23)) 에서 흡수할 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 의 균열 등을 방지할 수 있다.
또한, 땜납재 박을 사용하지 않고 금속판 (22, 23) 의 접합면에 직접 고착층 (24, 25) 을 형성하고 있기 때문에, 땜납재 박의 위치 맞춤 작업 등을 실시할 필요가 없어, 확실하게 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 을 접합할 수 있다.
게다가, 금속판 (22, 23) 의 접합면에 고착층 (24, 25) 을 형성하고 있기 때문에, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 개재되는 산화 피막은 금속판 (22, 23) 의 표면에만 존재하게 되므로, 접합을 N2 분위기 하에서 실시할 수 있게 된다. 따라서, 이 파워 모듈용 기판 (10) 을 효율적으로 만들어 낼 수 있게 되고, 제조 비용을 대폭 삭감할 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대하여 도 7 내지 도 10 을 참조하여 설명한다.
이 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판에 있어서는, 세라믹스 기판 (111) 이 Si3N4 로 구성되어 있다.
세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 의 접합 계면 (130) 의 폭 방향 중앙부에 있어서는, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 에 Si 와 Cu 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있다. 여기서, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 접합 계면 (130) 근방의 Si, Cu 및 상기 첨가 원소의 농도 합계가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
또한, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 접합 계면 (130) 근방의 Si, Cu 및 상기 첨가 원소의 농도는, EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해, 접합 계면 (130) 으로부터 50 ㎛ 의 위치에서 5 점 측정한 평균값이다. 또한, 도 7 의 그래프는, 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 의 중앙 부분에 있어서 적층 방향으로 라인 분석을 실시하고, 전술한 50 ㎛ 위치에서의 농도를 기준으로 하여 구한 것이다.
여기서, 본 실시형태에서는, Ag 를 첨가 원소로서 사용하고 있으며, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 접합 계면 (130) 근방의 Ag 농도가 0.05 질량％ 이상 1.5 질량％ 이하, Si 농도가 0.05 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하, Cu 농도가 0.05 질량％ 이상 1 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
또한, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 의 접합 계면 (130) 을 투과 전자 현미경에서 관찰한 경우에는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 접합 계면 (130) 에 산소가 농축된 산소 고농도부 (132) 가 형성되어 있다. 이 산소 고농도부 (132) 에 있어서는, 산소 농도가 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 중의 산소 농도보다 높게 되어 있다. 또한, 이 산소 고농도부 (132) 의 두께 (H) 는 4 ㎚ 이하로 되어 있다.
또한, 여기서 관찰하는 접합 계면 (130) 은, 도 8 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.
이하에, 전술한 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 대하여 도 9 및 도 10 을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시형태에서는, 고착 공정이, Cu 고착 공정 (S10) 과 Si 고착 공정 (S11) 과 첨가 원소 고착 공정 (S12) 으로 분리되어 있다.
(Cu 고착 공정 (S10))
먼저, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (122, 123) 의 각각의 접합면에, 스퍼터링에 의해 Cu 를 고착시켜, Cu 층 (124A, 125A) 을 형성한다. 여기서, Cu 층 (124A, 125A) 에 있어서의 Cu 량은 0.08 ㎎/㎠ 이상 2.7 ㎎/㎠ 이하로 설정되어 있다. 또한, Cu 층 (124A, 125A) 의 두께는 0.1 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다.
(Si 고착 공정 (S11))
다음으로, 금속판 (122, 123) 의 각각의 접합면에 형성된 Cu 층 (124A, 125A) 상에, 스퍼터링에 의해 Si 를 고착시켜, Si 층 (124B, 125B) 을 형성한다. 여기서, Si 층 (124B, 125B) 에 있어서의 Si 량은, 0.002 ㎎/㎠ 이상 1.2 ㎎/㎠ 이하로 설정되어 있다. 또한, Si 층 (124B, 125B) 의 두께는 0.01 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다.
(첨가 원소 고착 공정 (S12))
다음으로, 전술한 Si 층 (124B, 125B) 상에, 스퍼터링에 의해 Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, 첨가 원소층 (124C, 125C) 을 형성한다. 여기서, 본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Ag 를 사용하고 있으며, 첨가 원소층 (124C, 125C) 에 있어서의 Ag 량은 0.08 ㎎/㎠ 이상 5.4 ㎎/㎠ 이하로 설정되어 있다. 또한, 첨가 원소층 (124C, 125C) 의 두께는 0.01 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다.
(적층 공정 (S13))
다음으로, 금속판 (122) 을 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면측에 적층하고, 또한 금속판 (123) 을 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면측에 적층한다. 이 때, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (122, 123) 중 Cu 층 (124A, 125A), Si 층 (124B, 125B) 및 첨가 원소층 (124C, 125C) 이 형성된 면이 세라믹스 기판 (111) 을 향하도록 적층한다. 즉, 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 사이에 각각 Cu 층 (124A, 125A), Si 층 (124B, 125B) 및 첨가 원소층 (124C, 125C) 을 개재시키고 있는 것이다. 이와 같이 하여 적층체를 형성한다.
(가열 공정 (S14))
다음으로, 적층 공정 (S13) 에서 형성된 적층체를, 그 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태에서 가열로 내에 장입하고 가열하여, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 의 계면에 각각 용융 금속 영역 (126, 127) 을 형성한다. 이 용융 금속 영역 (126, 127) 은, 도 10 에 나타내는 바와 같이, Cu 층 (124A, 125A), Si 층 (124B, 125B) 및 첨가 원소층 (124C, 125C) 의 Si, Cu 및 첨가 원소 (본 실시형태에서는 Ag) 가 금속판 (122, 123) 측으로 확산됨으로써, 금속판 (122, 123) 의 Cu 층 (124A, 125A), Si 층 (124B, 125B) 및 첨가 원소층 (124C, 125C) 근방의 Si 농도, Cu 농도 및 첨가 원소의 농도가 상승하여 융점이 낮아짐으로써 형성되는 것이다.
여기서, 본 실시형태에서는, 가열로 내의 분위기를 N2 가스 분위기로 하고 있으며, 가열 온도는 550 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
(응고 공정 (S15))
다음으로, 용융 금속 영역 (126, 127) 이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지시켜 둔다. 그러면, 용융 금속 영역 (126, 127) 중의 Si, Cu 및 첨가 원소가 더욱 금속판 (122, 123) 측으로 확산되어 가게 된다. 이로써, 용융 금속 영역 (126, 127) 이었던 부분의 Si 농도, Cu 농도 및 첨가 원소의 농도가 서서히 저하되어 가고 융점이 상승하게 되어, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 가게 된다. 요컨대, 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122, 123) 은, 이른바 등온 확산 접합 (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding) 에 의해 접합되어 있는 것이다. 이와 같이 하여 응고가 진행된 후에, 상온까지 냉각을 실시한다.
이와 같이 하여, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 이 되는 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 이 접합되어, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판이 제조되게 된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판에 있어서는, 금속판 (122, 123) 의 접합면에 Cu 를 고착시키는 Cu 고착 공정 (S10) 과, Si 를 고착시키는 Si 고착 공정 (S11) 과, 상기 첨가 원소 (본 실시형태에서는 Ag) 를 고착시키는 첨가 원소 고착 공정 (S12) 을 구비하고 있기 때문에, 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 의 접합 계면 (130) 에는, Si, Cu 및 상기 첨가 원소가 개재되게 된다. 여기서 Cu 는, Al 에 대하여 반응성이 높은 원소이기 때문에, 접합 계면 (130) 에 Cu 가 존재함으로써 알루미늄으로 이루어지는 금속판 (122, 123) 의 표면이 활성화되게 되어, 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122, 123) 을 강고하게 접합할 수 있게 된다.
또한, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 이, 금속판 (122, 123) 의 접합면에 형성된 Cu 층 (124A, 125A) 과 Si 층 (124B, 125B) 과 첨가 원소층 (124C, 125C) 의 Cu, Si 및 첨가 원소를 금속판 (122, 123) 측으로 확산시킴으로써 용융 금속 영역 (126, 127) 을 형성하고, 이 용융 금속 영역 (126, 127) 중의 Si, Cu 및 첨가 원소를 금속판 (122, 123) 에 확산시킴으로써 응고시켜 접합하고 있기 때문에, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건에서 접합해도, 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122, 123) 을 강고하게 접합할 수 있게 된다. 특히, Si, Cu 및 Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 와 같은 원소는, 알루미늄의 융점을 강하시키는 것이기 때문에, 저온 조건에서의 접합이 가능해진다.
또한, 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (111) 이 Si3N4 로 구성되어 있고, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 이 되는 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 의 접합 계면 (130) 에, 산소 농도가 회로층 (112) 및 금속층 (113) 을 구성하는 금속판 (122, 123) 중의 산소 농도보다 높게 된 산소 고농도부 (132) 가 생성되어 있기 때문에, 이 산소에 의해 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122, 123) 의 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 이 산소 고농도부 (132) 의 두께가 4 ㎚ 이하로 되어 있기 때문에, 열 사이클을 부하하였을 때의 응력에 의해 산소 고농도부 (132) 에 크랙이 발생하는 것이 억제된다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경할 수 있다.
예를 들어, 회로층 및 금속층을 구성하는 금속판을 순도 99.99 ％ 의 순알루미늄의 압연판으로 한 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 순도 99 ％ 의 알루미늄 (2 N 알루미늄) 이어도 된다.
또한, 고착 공정에 있어서, 금속판의 접합면에 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시키는 구성으로 한 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 세라믹스 기판의 접합면에 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시켜도 되고, 세라믹스 기판의 접합면 및 금속판의 접합면에 각각 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시켜도 된다.
또한, 고착 공정에 있어서, Si, Cu 및 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시켜도 된다.
또한, 고착 공정에 있어서, 스퍼터에 의해 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시키는 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 도금, 증착, CVD, 콜드 스프레이, 또는 분말이 분산되어 있는 페이스트 및 잉크 등의 도포에 의해 Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시켜도 된다.
또한, 제 2 실시형태에 있어서, 고착 공정을 Cu 고착 공정 (S10) 후에 Si 고착 공정 (S11) 을 실시하고, 다시 첨가 원소 고착 공정 (S12) 을 실시하는 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, Si 고착 공정, Cu 고착 공정 및 첨가 원소 고착 공정의 순서에 제한은 없다.
또한, 첨가 원소와 Cu 또는 첨가 원소와 Si 등의 합금을 사용하여, Cu 와 첨가 원소 또는 Si 와 첨가 원소의 합금층을 형성해도 된다.
또한, 세라믹스 기판과 금속판의 접합을 N2 분위기의 가열로를 사용하여 실시하는 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 진공로를 사용하여 세라믹스 기판과 금속판의 접합을 실시해도 된다. 이 경우의 진공도는 10-6 ∼ 10-3 ㎩ 의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
또한, 히트 싱크의 천판부와 금속층 사이에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 알루미늄을 함유하는 복합재 (예를 들어, AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층을 형성한 것으로 하여 설명했지만, 이 완충층이 없어도 된다.
또한, 히트 싱크를 알루미늄으로 구성한 것으로 하여 설명했지만, 알루미늄 합금, 또는 알루미늄을 함유하는 복합재 등으로 구성되어 있어도 된다. 또한, 히트 싱크로서 냉각 매체의 유로를 갖는 것으로 설명했지만, 히트 싱크의 구조에 특별히 한정은 없고, 여러 가지 구성의 히트 싱크를 사용할 수 있다.
또한, 세라믹스 기판을 AlN, Si3N4 로 구성된 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, Al2O3 등의 다른 세라믹스로 구성되어 있어도 된다.
실시예
본 발명의 유효성을 확인하기 위해서 실시한 비교 실험에 대하여 설명한다.
두께 0.635 ㎜ 의 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판에, 두께 0.6 ㎜ 의 4 N 알루미늄으로 이루어지는 회로층과, 두께 0.6 ㎜ 의 4 N 알루미늄으로 이루어지는 금속층을 접합하여, 파워 모듈용 기판을 제작하였다.
여기서, 회로층 및 금속층이 되는 알루미늄판 (4 N 알루미늄) 의 접합면에, Si, Cu 및 첨가 원소를 고착시켜 고착층을 형성하고, 금속판과 세라믹스 기판을 적층하고 가압 가열하여, 금속판과 세라믹스 기판을 접합하였다.
그리고, 고착시키는 첨가 원소를 변경한 여러 가지 시험편을 만들어 내고, 이들 시험편을 사용하여 접합 신뢰성의 평가를 실시하였다. 접합 신뢰성의 평가로는, 냉열 사이클 (-45 ℃ - 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후의 접합률을 비교하였다. 결과를 표 1 내지 표 3 에 나타낸다.
또한, 접합률은 이하의 식으로 산출하였다. 여기서 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적인 것으로 하였다.
접합률 = (초기 접합 면적 - 박리 면적)/초기 접합 면적
또한, 이들 시험편에 대하여, 금속판 중 세라믹스 기판의 접합 계면 근방 (접합 계면으로부터 50 ㎛) 의 Si, Cu 및 첨가 원소의 농도를, EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해 측정하였다. Si, Cu 및 첨가 원소의 합계 농도를 표 1 - 3 에 함께 나타낸다.
Figure 112011015850522-pat00001
Figure 112011015850522-pat00002
Figure 112011015850522-pat00003
고착층의 Si 량이 0.001 ㎎/㎠ (두께 환산 0.0043 ㎛), Cu 량이 0.005 ㎎/㎠ (두께 환산 0.0056 ㎛), 및 첨가 원소 (Li) 의 고착량이 0.05 ㎎/㎠ (두께 환산 0.935 ㎛) 로 되고, 고착량의 합계가 0.056 ㎎/㎠ 로 된 비교예 1 에서는, 냉열 사이클 (-45 ℃ - 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후의 접합률이 52.1 ％ 로 매우 낮은 값을 나타냈다. 이것은, 계면에 개재되는 Si 량, Cu 량 및 첨가 원소 (Li) 량이 적어, 금속판과 세라믹스 기판의 계면에 용융 금속 영역을 충분히 형성할 수 없었기 때문인 것으로 판단된다.
고착층의 Si 량이 0.9 ㎎/㎠ (두께 환산 3.86 ㎛), Cu 량이 2.2 ㎎/㎠ (두께 환산 2.47 ㎛), 및 첨가 원소 (Ag) 의 고착량이 5.2 ㎎/㎠ (두께 환산 4.96 ㎛), 첨가 원소 (Ge) 의 고착량이 2.2 ㎎/㎠ (두께 환산 4.13 ㎛) 로 되고, 고착량의 합계가 10.5 ㎎/㎠ 로 된 비교예 2 에서는, 냉열 사이클 (-45 ℃ - 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후의 접합률이 65.3 ％ 였다. 이것은, Si, Cu 및 첨가 원소 (Ag, Ge) 의 양이 많아 금속판이 지나치게 단단해지고, 냉열 사이클에 의한 열 응력이 접합 계면에 부하되었기 때문인 것으로 추측된다.
이에 대하여, 본 발명예 1 - 60 에 있어서는, 냉열 사이클 (-45 ℃ - 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후의 접합률이 모두 93 ％ 이상이었다.
또한, 고착층의 Si 량이 0.002 ㎎/㎠ (두께 환산 0.0086 ㎛), Cu 량이 0.008 ㎎/㎠ (두께 환산 0.009 ㎛), 및 첨가 원소 (Li) 의 고착량이 0.09 ㎎/㎠ (두께 환산 1.68 ㎛) 로 되고, 고착량의 합계가 0.1 ㎎/㎠ 로 된 본 발명예 61 이나 고착층의 Si 량이 0.9 ㎎/㎠ (두께 환산 3.86 ㎛), Cu 량이 2.2 ㎎/㎠ (두께 환산 2.47 ㎛), 및 첨가 원소 (Ag) 의 고착량이 5.0 ㎎/㎠ (두께 환산 4.77 ㎛), 첨가 원소 (Ge) 의 고착량이 1.9 ㎎/㎠ (두께 환산 3.57 ㎛) 로 되고, 고착량의 합계가 10 ㎎/㎠ 로 된 본 발명예 62 에 있어서도, 냉열 사이클 (-45 ℃ - 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후의 접합률이 70 ％ 를 초과하였다.
이 결과로부터, 본 발명예에 의하면, Si, Cu 및 각종 첨가 원소의 확산에 의해, 금속판과 세라믹스 기판의 계면에 용융 금속 영역을 확실하게 형성할 수 있게 되어, 금속판과 세라믹스 기판을 강고하게 접합할 수 있었던 것으로 판단된다.
또한, 본 발명예 1 - 62 에 있어서는, 금속판 중 세라믹스 기판의 접합 계면 근방 (접합 계면으로부터 50 ㎛) 의 Si, Cu 및 각종 첨가 원소의 합계 농도가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 되는 것이 확인되었다.
1 : 파워 모듈 3 : 반도체 칩 (전자 부품)
10 : 파워 모듈용 기판 11, 111 : 세라믹스 기판
12, 112 : 회로층 13, 113 : 금속층
22, 23, 122, 123 : 금속판 24, 25 : 고착층
26, 27, 126, 127 : 용융 금속 영역
30, 130 : 접합 계면 124A, 125A : Cu 층
124B, 125B : Si 층 124C, 125C : 첨가 원소층

Claims (9)

  1. 세라믹스 기판의 표면에, 알루미늄으로 이루어지는 금속판이 적층되어 접합된 파워 모듈용 기판으로서,
    상기 금속판에는, Si 와 Cu 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있고, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에 있어서의 Si, Cu 및 상기 첨가 원소의 농도 합계가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있고,
    상기 세라믹스 기판의 폭이 상기 금속판의 폭보다 넓게 설정되어 있고, 상기 금속판의 폭 방향 단부에는, Cu 를 함유하는 화합물이 알루미늄 중에 석출된 Cu 석출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판이 AlN 또는 Al2O3 로 구성되어 있고, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에, Si 농도가 상기 금속판 중의 Si 농도의 5 배 이상으로 된 Si 고농도부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  4. 제 1 항에 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, 상기 산소 고농도부의 두께가 4 ㎚ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  5. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 상기 파워 모듈용 기판을 냉각시키는 히트 싱크를 구비한 것을 특징으로 하는 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판.
  6. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 상기 파워 모듈용 기판 상에 탑재되는 전자 부품을 구비한 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  7. 세라믹스 기판의 표면에, 알루미늄으로 이루어지는 금속판이 적층되어 접합된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에, Si 와 Cu 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성하는 고착 공정과,
    상기 고착층을 개재하여 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판과 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,
    상기 용융 금속 영역을 응고시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 접합하는 응고 공정을 갖고,
    상기 고착 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에, Si, Cu 및 상기 첨가 원소를 0.1 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하의 범위 내에서 개재시키고,
    상기 가열 공정에 있어서, 상기 고착층의 원소를 상기 금속판측으로 확산시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 상기 용융 금속 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 고착 공정에서는, Si, Cu 및 상기 첨가 원소와 함께, Al 을 고착시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 고착 공정은, 도금, 증착, CVD, 스퍼터링, 콜드 스프레이, 또는 분말이 분산되어 있는 페이스트 및 잉크 등의 도포에 의해, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에, Si 및 Cu, 그리고 Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
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