KR102129339B1 - 세라믹스 회로 기판, 및 세라믹스 회로 기판의 제조 방법 - Google Patents

세라믹스 회로 기판, 및 세라믹스 회로 기판의 제조 방법 Download PDF

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KR102129339B1
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Abstract

본 발명에 따른 세라믹스 회로 기판은, 세라믹스 기판과, 상기 세라믹스의 한쪽 면에 접합층을 개재하여 접합된 구리계 재료를 포함하는 구리 회로와, 상기 세라믹스의 다른 쪽 면에 접합층을 개재하여 접합된 구리계 재료를 포함하는 구리 방열판으로 구성된다. 이 접합층은, Ag 등의 2종 이상이 금속을 포함하는 납재 성분과 소정 농도의 활성 금속으로 구성된다. 그리고, 접합층은, 납재 성분을 포함하는 납재층과, 활성 금속을 포함하는 활성 금속 화합물층으로 구성되어 있고, 접합층의 접합 면적에서 차지하는 활성 금속 화합물층의 접합 면적의 비율이 88％ 이상이 되고 있다.

Description

세라믹스 회로 기판, 및 세라믹스 회로 기판의 제조 방법
본 발명은, 파워 모듈 등에 사용되는 세라믹스 회로 기판에 관한 것이다. 특히, 세라믹스 기판에 구리 회로 및 구리 방열판을 접합한 세라믹스 회로 기판이며, 방열성 향상을 위해 구리 회로 및 구리 방열판을 두껍게 했을 때에도 접합부의 내구성이 확보된 것에 관한 것이다.
하이브리드 차나 발전 설비 등에서 이용되고 있는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 파워 모듈의 회로 기판으로서, 세라믹 기판을 사용한 세라믹스 회로 기판이 적용되고 있다. 세라믹스 회로 기판은, 세라믹스를 포함하는 기판의 한쪽 면에 반도체 소자와 접속하기 위한 구리계 재료를 포함하는 구리 회로가, 다른 쪽의 면에 반도체 소자의 발열을 방열하기 위한 구리계 재료를 포함하는 구리 방열판이 접합된 기판이다.
상기한 바와 같이, 세라믹스 회로 기판은, 세라믹스 기판에 구리 회로와 구리 방열판을 접합하여 이루어진다. 이 접합에 있어서는, 세라믹스와 금속(구리)이라고 하는 이종 재료의 접합인 것을 고려하여, 활성 금속법이 채용되는 것이 일반적이다. 활성 금속법은, 경납땜에 의한 접합 방법의 일 형태인데, Ag 납재 등의 납재를 구성하는 납재 성분에 Ti, Zr 등의 활성 금속을 첨가한 활성 금속 납재를 사용하여 금속과 세라믹스를 접합하는 방법이다. 활성 금속법으로는, 활성 금속 납재 중의 활성 금속이 납재 성분과 세라믹스의 접합 계면에 모여, 세라믹스 중의 산소나 질소와 반응하여 접합력이 얻어진다. 이 활성 금속 납재로서는, 예를 들어 Ag-Cu-Ti계 납재, Ag-Cu-Ti-Sn계 납재가 알려져 있다.
활성 금속법에 의한 세라믹스 회로 기판의 제조에 있어서는, 활성 금속 납재를 구성하는 금속의 분말을 유기 용제에 혼합·분산시켜서 납재 페이스트를 사용하는 것이 일반적이다. 예를 들어, Ag-Cu-Ti계 납재라면, 납재 성분인 Ag 분말과 Cu 분말에, 활성 금속인 Ti 분말 또는 Ti 화합물 분말(TiH2 분말 등)을 유기 용제에 혼합하여 활성 금속 납재 페이스트를 제작한다. 그리고, 이 활성 금속 납재 페이스트를 세라믹스 기판에 도포한 후, 구리 회로와 구리 방열판을 페이스트상으로 적재하여 소정의 온도로 가열함으로써, 활성 금속 납재 중의 각 금속 분말이 용융하여 세라믹스 기판과 구리 회로(구리 방열판) 사이에 접합층이 형성된다. 이 접합층은, 세라믹스와의 접합 계면에 활성 금속이 이동하여 반응한 것에 의해 생성되는 활성 금속 화합물층을 포함한다. 그리고, 접합층은, 활성 금속 화합물층과 Ag, Cu 등의 납재 성분을 주성분으로 하는 납재층의 2층 구조를 갖는다.
일본 특허 공개 제2014-90144호 공보
여기서, 세라믹스 회로 기판을 적용하는 파워 모듈의 분야에서 과제가 되고 있는 사항으로서, 모듈의 고출력화·고밀도화에 대응시키기 위한 방열성 향상이 예시되어 있다. IGBT 등의 파워 모듈은, 소형화가 진행하는 한편 출력은 커지는 경향이 있다. 이 경향에 의해, 탑재된 칩의 온도는 상승하게 되고, 종래 이상으로 높은 방열 능력이 요구된다. 여기서, 모듈의 방열성 향상의 방법으로서는, 세라믹스 기판의 재질 변경에 더하여, 구리 회로 및 구리 방열판을 두껍게 하는 것(후동화(厚銅化))이 검토되고 있다. 구체적으로는, 구리 회로 및 구리 방열판을, 지금까지의 2 내지 3배 정도의 두께로까지 후동화하여, 이들 부위로부터의 방열량을 확대하는 것이 검토되고 있다.
그러나, 본 발명자들에 의하면, 후동화는, 구리 회로 및 구리 방열판과 세라믹스 기판의 열팽창 차를 종래 이상으로 크게 하고, 접합부 및 기판의 내구성·신뢰성을 저하시킨다는 문제를 발생시킨다. 구리계 재료와 세라믹스는, 이종 재료이고 열팽창 계수가 크게 상이하다. 이 열팽창 차는 열 응력의 요인이 되고, 모듈의 온·오프에 의한 열 사이클은 세라믹스 회로 기판의 구성, 특히, 접합층에 영향을 미친다. 이러한 열팽창 차에 기초하는 열 응력의 문제는, 종래의 세라믹스 회로 기판에서도 존재하고 있었지만, 후동화에 의한 열팽창 차의 확대에 의해 더욱 현저해진다. 그리고, 열팽창 차의 확대에 의한 부하 상승에 의해, 구리 회로 및 구리 방열판의 박리나 세라믹스 기판의 깨짐이 발생한다. 이러한 후동화에 의한 구리 박리나 기판 깨짐의 문제는, 종래의 접합 구조에서는 억제하기가 어렵다. 그 때문에, 세라믹스 회로 기판의 방열 능력 향상 시에, 구리 회로 및 구리 방열판의 후동화는 유효한 수단이기는 하지만, 실현이 곤란한 과제로 되어 있다.
본 발명은, 이상과 같은 배경 하에 이루어진 것이고, 세라믹스 기판과 구리의 열팽창 차에 의한 부하를 받아도 기판 깨짐이나 구리 박리가 발생하기 어려운 세라믹스 회로 기판을 제공한다. 이 과제에 있어서, 특히 적합한 접합층의 구성을 밝힌다. 또한, 이 신뢰성·내구성이 향상된 세라믹스 회로 기판에 관한 제조 방법도 밝히는 것도 목적으로 하였다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해서, 먼저 종래의 활성 금속법에 의해 제조되는 세라믹스 회로 기판의 접합층의 구성을 상세하게 분석하기로 하였다. 상기한 바와 같이, 종래의 세라믹스 회로 기판의 제조 공정에서, 활성 금속 납재를 페이스트의 형태로 기판의 접합면에 공급하고 있다. 활성 금속 납재 페이스트는, 납재 성분(Ag, Cu 등)의 금속 분말과, 활성 금속(Ti 등)의 금속 간 화합물 분말이 용제 중에 분산한 상태에 있다. 페이스트상의 활성 금속 납재는 제조가 간편하고, 취급성도 양호하므로 접합 작업성도 우수하다. 그 때문에, 페이스트상의 활성 금속 납재를 적용하는 활성 금속법은, 세라믹스 회로 기판을 제조하기 위한 방법의 주류로 되고 있다.
그리고, 상기한 바와 같이, 페이스트상(분말상)의 납재를 용융·응고시킴으로써 형성되는 접합층은, 응고 조직을 나타내는 납재 성분을 주성분으로 하는 납재층과, 세라믹스 기판과의 계면에 형성된 활성 금속 화합물층을 포함하는 2층 구조를 갖는다. 여기서, 본 발명자들은, 활성 금속 화합물층의 세라믹스 기판에 대한 접합 면적에 착안하였다. 접합 면적이란, 활성 금속 화합물층 또는 접합층 각각에 대해서, 세라믹스 기판과 접하는 영역의 면적이다. 그리고, 본 발명자들은, 종래의 활성 금속 납재 페이스트에 의해 형성되는 접합층에 대해서, 접합층 전체의 접합 면적에서 차지하는, 활성 금속 화합물층의 접합 면적의 비율을 평가한 바, 당해 비율이 50％ 정도밖에 되지 않는 것을 확인하였다. 이 접합 면적의 비율에 대해서는, 상기 특허문헌 1에서도 언급되어 있고, 거기에서는 점유율로서 최대로 85％의 비율이 개시되어 있다. 활성 금속법에 의한 접합층에 있어서, 활성 금속 화합물층은 세라믹스 기판과 접합층의 접합을 확보하는 부위로 생각되고, 나아가서는 구리 회로 또는 구리 방열판과 세라믹 기판의 접합력에 영향을 미친다.
본 발명자들은, 금후, 후동화나 발열량이 증가하는 파워 모듈의 회로 기판에 있어서는, 접합층 내의 활성 금속 화합물층의 형태가 보다 중요해진다고 생각하였다. 단, 활성 금속 화합물층의 형태 제어에 대해서는, 종래의 페이스트상 납재에 기초하는 어프로치에는 한계가 있다.
그래서, 본 발명자들은, 세라믹스 기판을 구리 회로 및 구리 방열판에 접합하는 공정을 다시 살핌으로써 검토하기로 하였다. 그 결과, 금속 분말을 혼합하여 이루어지는 페이스트상의 활성 금속 납재 대신에, 각 구성 금속이 합금화된 벌크상의 활성 금속 납재를 적용했을 때, 종래 이상의 내구성을 발휘할 수 있는 접합층을 형성할 수 있음을 알아내었다. 그리고, 이 때 형성되는 접합층 및 그 중의 활성 금속 화합물층의 구성에 대하여 검토를 행하여, 본 발명에 상도하였다.
즉, 본 발명은 세라믹스 기판과, 상기 세라믹스의 한쪽 면에 접합층을 개재하여 접합된 구리계 재료를 포함하는 구리 회로와, 상기 세라믹스의 다른 쪽 면에 접합층을 개재하여 접합된 구리계 재료를 포함하는 구리 방열판을 포함하는 세라믹스 회로 기판에 있어서, 상기 접합층은, Ag를 필수 성분으로 함과 함께 적어도 2종 이상의 금속을 포함하는 납재 성분과, 적어도 1종 이상의 활성 금속 성분을 포함하고, 상기 활성 금속의 함유량이, 접합층 전체의 금속 원소량에 대하여 0.5질량％ 이상 2.0질량％ 이하로 되어 있고, 상기 접합층은, 상기 납재 성분을 포함하는 납재층과 상기 활성 금속을 포함하는 활성 금속 화합물층을 포함하고, 상기 활성 금속 화합물층이 상기 세라믹스 기판과의 접합계 면을 따라 형성되어 있고, 추가로, 상기 접합층과 상기 세라믹스 기판의 접합 면적에서 차지하는, 상기 활성 금속 화합물층과 상기 세라믹스 기판의 접합 면적의 비율이, 88％ 이상인 것을 특징으로 하는 세라믹스 회로 기판이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다. 상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 세라믹스 회로 기판은, 납재 성분과 활성 금속이 합금화되어 일체화된 활성 금속 납재를 적용하고, 세라믹스 기판에 구리 회로와 구리 방열판을 적절한 접합 조건 하에 접합하여 제조된다. 그리고, 본 발명의 특징은, 접합층의 성분 조성과 구조의 양쪽에 있다. 접합층의 구조적 특징은, 접합 계면에 형성된 활성 금속 화합물층의 형태에 있다. 이하, 접합층의 성분 조성에 관한 특징과, 접합층의 구조·형태에 관한 특징 각각에 대하여 설명한다. 또한, 본 발명에서는, 접합층이 세라믹스 기판과 구리 회로 사이, 및 세라믹스 기판과 구리 방열판 사이의 각각에 있어서 형성되어 있다. 이하에서 설명하는 접합층의 조성·구조는, 양쪽의 접합층을 대상으로 하는 것이다.
(A) 접합층의 성분 조성
접합층의 성분 조성에 대해서, 접합층을 구성하는 금속 원소는, Ag를 필수 성분으로 하는 적어도 2종 이상의 납재 성분과, 적어도 1종의 활성 금속이다. 이들 성분은, 세라믹스 회로 기판의 제조에서 적용된 활성 금속 납재 합금에서 유래되는 금속 원소이다.
(A-1) 납재 성분
납재 성분이란, 혼합 또는 합금화함으로써 비교적 저온에서 용융할 수 있는 2종 이상의 금속 성분이며, 응고함으로써 납재층을 형성하는 금속이다. 납재층은, 구리 회로 또는 구리 방열판과 활성 금속 화합물층을 접합하여, 일체화된 세라믹스 회로 기판을 형성하는 작용을 갖는다. 납재 성분은 2종 이상의 금속을 포함하고, 공정 조성을 갖는 금속의 조합을 적어도 하나 갖는 금속군이다. 본 발명에서는, 납재 성분으로서 Ag를 필수적인 성분으로 한다. 활성 금속법에 있어서, Ag를 주성분으로 하는 납재(은납)가 많이 사용되고 있는 것, 및 접합층의 열전도성 향상을 고려했기 때문이다.
그리고, Ag와 함께 납재 성분을 구성하는 금속으로서는, Cu, Sn, In, Ni, Si, Li의 적어도 어느 1종의 금속이 바람직하다. 특히, Ag와 함께 Cu를 적용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 접합 대상이 구리계 재료를 포함하기 때문에 양호한 접합성을 확보하기 위함이다. 그리고, Ag와 Cu의 조합은, 공정(共晶) 조성을 갖는 점에서, 이들 금속은 납재 성분으로서의 적정을 갖는다. 납재 성분으로서의Cu를 포함할 때, 접합층 전체에 대하여 20중량％ 이상 40중량％ 이하 포함되어 있는 것이 바람직하다.
또한, Sn, In, Ni, Si, Li 중 적어도 1종의 금속도, 본 발명에서 납재 성분이 될 수 있다. 이들 금속은, 접합에 제공된 활성 금속 납재 합금의 재료 조직의 조정을 위하여 첨가되는 경우가 많은 금속 원소이다. 즉, 활성 금속 납재의 합금에 있어서는, 납재 성분을 포함하는 합금 중에, Ti 등의 활성 금속이 금속 간 화합물(예를 들어, Cu-Ti 화합물 등)을 형성하면서 분산되어 있는 경우가 있다. 활성 금속의 금속 간 화합물은 경도가 높은 경우가 많고, 납재의 가공성에 영향을 미치는 경우가 있다. Sn, In, Ni, Si, Li는 납재 성분이지만, Ag, Cu 등과 비교하면, Ti 등의 활성 금속과의 결합성이 높다. 그래서, 납재 성분으로서, Sn, In, Ni, Si, Li를 첨가하면, 이것들이 Ti와 우선적으로 결합하여 미세한 금속 간 화합물을 생성하여 활성 금속 납재 합금의 재료 조직을 제어할 수 있다. 이러한 거동을 갖는 점에서, Sn, In, Ni, Si, Li는, Ti 등의 활성 금속과 함께 이동하고, 접합 계면의 활성 금속 화합물층에 포함되어 있는 경우가 있다. 또한, Sn, In, Ni, Si, Li는, 활성 금속과 화합물 상을 형성하여 납재층 내에서 분산되어 있는 경우도 있다. 또한, 접합층이 Sn, In, Ni, Si, Li를 포함하는 경우, 그것들 금속의 합계 함유량은, 접합층에 대하여 0.1질량％ 이상 10질량％ 이하인 것이 바람직하다.
(A-2) 활성 금속
활성 금속은, 세라믹 기판과 납재층을 접합하기 위한 활성 금속 화합물층을 생성하기 위한 성분이다. 활성 금속은 접합 공정에 있어서, 세라믹스 기판과의 접합 계면으로 이동하고, 세라믹스 중의 O, N, Si 등과 반응하여 활성 금속 화합물층을 형성한다. 활성 금속으로서는 Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, V, Cr, Y, Al, Mo의 적어도 어느 1종의 금속 원소를 포함한다. 이들 금속 원소는, 세라믹스의 구성 원소와의 반응 활성이 우수함과 함께, 형성된 활성 금속 간 화합물과 납재층(Ag, Cu)의 접합성도 양호하기 때문이다. 활성 금속으로서 특히 바람직한 것은, Ti, Zr이다.
그리고, 본 발명에서는 접합층 전체에 포함되는 활성 금속의 함유량에 대해서, 0.5질량％ 이상 2.0질량％ 이하로 규제되어 있다. 이 활성 금속의 함유량은, 종래 기술인 페이스트상·분말상의 활성 금속 납재로부터 형성되는 접합층의 활성 금속 함유량보다도 낮은 범위에 있다. 즉, 본 발명의 접합층 전체에 포함되는 활성 금속의 함유량은, 종래 기술에 대한 명확한 상위점이 된다.
본 발명에서 활성 금속의 함유량이 비교적 낮은 것은, 본 발명에서는 합금화된 활성 금속 납재를 사용하기 때문이다. 합금화된 활성 금속 납재에서는, 활성 금속 함유량을 낮춰도, 접합 계면에 적합한 상태의 활성 금속 화합물층을 형성할 수 있다. 왜냐하면, 합금은, 원자 레벨에서 활성 금속과 납재 성분이 혼합·결합한 상태에 있으므로, 활성 금속 원자가 빠르게 세라믹스와의 접합 계면으로 이동하여 반응할 수 있기 때문이다.
이에 비해, 종래 기술인 페이스트상·분말상의 활성 금속 납재에 있어서는, 아무리 분말의 입경을 미세하게 하더라도, 합금과 같은 원자 레벨의 입경으로 할 수는 없다. 그리고, 종래의 분말상의 납재에서는, 원자 레벨에서 빠르게 활성 금속이 이동하지는 못하고, 그만큼 다량의 활성 금속을 투입함으로써 접합 계면에 화합물층을 형성시키고 있다. 이 때문에, 접합층 전체에 대한 활성 금속 함유량은 높게 되어 있다.
또한, 본 발명의 접합층이 복수의 활성 금속을 포함하는 경우, 그것들의 합계량이 0.5질량％ 이상 2.0질량％ 이하가 된다. 또한, 활성 금속의 함유량은, 1.0질량％ 이상 2.0질량％ 이하가 보다 바람직하다. 이 활성 금속의 함유량이란, 접합층을 구성하는 금속 원소의 합계 질량을 기준으로 한다. 접합층의 형성 시, 활성 금속이 세라믹스 중의 O, N, Si 등의 비금속과 결합하므로, 그 몫의 질량 변화를 고려하고 있다. 무엇보다, 이 질량 변화는 근소하기 때문에, 실제상은, 접합 시에 사용된 활성 금속 납재 합금 중의 활성 금속의 농도에 근사할 수 있다. 그리고, 접합층 내의 활성 금속의 분포로서는, 접합 계면에 그 대부분이 존재하여 화합물층을 형성하고 있지만, 일부의 활성 금속은 접합층 내부(납재층)에 분포하고 있다.
(B) 접합층의 구조·형태
접합층은, 납재층과 활성 금속 화합물층으로 구성되어 있다. 본 발명은, 상술한 접합층의 성분 조성 상의 특징 외에 접합층의 구조, 특히, 접합 계면에 형성된 활성 금속 화합물층의 형태에 있어서도 특징이 있다.
(B-1) 납재층
납재층은, 상기한 납재 성분으로 구성된 합금층이다. 예를 들어, 납재 성분으로서 Ag와 Cu를 적용했을 때, 납재층은 Ag-Cu 합금을 포함한다. 이 Ag-Cu 합금은, Ag상 또는 Ag를 주성분으로 하는 합금상(α상)과, Cu상 또는 Cu를 주성분으로 하는 합금상(β상)이 혼합하는 재료 조직을 갖는다. 또한, Ag, Cu 이외의 납재 성분(Sn, In 등)을 포함하는 경우, 당해 납재 성분은, 상기 Ag상, α상, Cu상, β상의 어느 것과 합금화하거나, 별도로 합금상을 형성하여 납재층 내에 분산하거나, 또는, 활성 금속과 합금상을 형성하여 납재층 내에 분산한다.
(B-2) 활성 금속 화합물층의 형태
활성 금속 화합물층이란, Ti 등의 활성 금속과 세라믹스 중의 O, N, Si 등과 결합하여 생성하는 층상의 화합물이다. 또한, 활성 금속 화합물층은, 첨가제인 Sn, In, Ni, Si, Li의 적어도 어느 것인가가 임의적으로 포함된다. 따라서, 활성 금속 화합물층의 성분은 일정하지 않고, 접합하는 세라믹스의 종류나 첨가 원소의 양에 따라 변화한다. 본 발명에서는, 활성 금속 화합물층의 정의로서, 활성 금속을 필수적으로 포함하고, 접합 계면에 접하는 화합물층으로 한다. 본 발명에서는, 접합층에 포함되는 모든 활성 금속이 계면에서 화합물층을 형성하는 것만은 아니며, 일부의 활성 금속은 납재층의 내부에 분산되는 화합물상을 형성하는 경우가 있다. 이러한 분산되는 화합물상은, 상기 정의에 기초하여, 본 발명에 있어서의 활성 금속 화합물층에는 해당하지 않는다.
그리고, 본 발명에서는, 활성 금속 화합물층을 접합 계면 부근에 집중시켜서, 활성 금속 화합물층이 광범위하게 덮도록 함으로써 접합력을 높이고 있다. 구체적으로는, 접합층에 의한 접합 면적에서 차지하는, 활성 금속 화합물층에 의한 접합 면적의 비율을 88％ 이상으로 하고 있다. 활성 금속 화합물층은, 세라믹스와 Ag, Cu 등의 금속(납재층)과의 접합성을 확보하기 위한 층이며, 나아가서는 세라믹스 기판과 구리 회로 및 구리 방열판을 접합하기 위한 층이다. 본 발명은, 기판과 구리의 열 팽창 차에 기초하는 열 응력 부하에 대한 접합층의 내구성을 종래 이상으로 높게 하는 것을 과제로 한다. 구체적으로는, 구리 회로 등의 후동화나 반도체 소자의 발열량 상승에 의한 부하를 상정하고, 그것들에 대하여 손상하는 일이 없는 접합층의 지표로서, 접합 계면 전체의 면적에서 차지하는, 활성 금속 화합물층의 접합 면적의 비율을 규정한다. 접합 계면 전체의 면적이란, 접합층에 의한 접합 면적이고, 이것은 접합층과 세라믹스 기판의 접촉 면적이다. 또한, 활성 금속 화합물층의 접합 면적이란, 활성 금속 화합물층과 세라믹스 기판의 접촉 면적이다.
본 발명자들에 의하면, 접합층과 세라믹스 기판의 접합 면적에서 차지하는, 활성 금속 화합물층과 세라믹스 기판의 접합 면적의 비율이 88％ 미만이면, 회로 기판에 반복적 열 응력 부하가 있었을 때의 내구 시간이 불충분해진다. 이 접합 면적에 관련하는 비율에 대해서는, 당연히 높으면 높을수록 바람직하다. 현실적으로는, 95％ 정도가 한계이고, 이 상한 부근에서는 지극히 높은 내구성을 기대할 수 있다.
접합층과 세라믹스 기판의 접합 면적에서 차지하는, 활성 금속 화합물층과 세라믹스 기판의 접합 면적의 비율 측정에 대해서는, 각각의 접합 면적을 측정·추정할 수 있는 방법이면 특별히 한정할 필요는 없다. 이 측정 방법의 예로서는, 회로 기판에 대해서, 접합층을 포함하는 임의 부분의 단면 관찰을 행하여, 접합 계면과 접촉하는 접합층의 폭(길이) 및 활성 금속 화합물층의 폭(길이)을 측정하고, 그것들의 비율을 접합 면적의 비율로 할 수 있다.
단면 관찰에 의한, 접합층과 세라믹스 기판의 접합 면적에서 차지하는, 활성 금속 화합물층과 세라믹스 기판의 접합 면적의 비율 측정 방법의 구체예를 도 1에 도시한다. 활성 금속 화합물층의 접합 면적의 비율을 검토할 때에는, 도 1과 같이, 접합층이 부분적인 단면을 임의로 복수 관찰하고, 관찰 시야에 있어서의 접합층의 폭과 활성 금속 화합물층의 폭을 각각 측정하고, 그것들로부터 구해지는 비율의 평균값을 채용할 수 있다(도 1의 (a) 참조). 또한, 접합층 전체에 대해서, 임의로 단면을 관찰하고, 접합층 전체의 폭과 활성 금속 화합물층의 폭을 측정하여 비율을 산출하고, 그것들의 평균값을 채용해도 된다(도 1의 (b)). 또한, 이들의 단면 관찰에 있어서, 활성 금속 화합물층이 분단되어 있는 경우에는, 분단된 개개의 활성 금속 화합물층의 폭(도 1의 (a), (b)의 l1, l2)을 측정하고, 그 합을 활성 금속 화합물층의 폭으로서, 접합층의 폭에 대한 비율을 산출한다. 또한, 이와 같이 하여 접합층을 전체적·부분적으로 관찰하는 경우, 단면의 원소 분석을 행하고, 활성 금속의 유무에 의해 활성 금속 화합물층을 동정하여 그 폭을 측정하는 것이 바람직하다. 또한, 도 1은, 구리 회로와 세라믹스 기판의 접합층에 있어서의 검토 예를 나타내지만, 구리 방열판과 세라믹스 기판의 접합층에 대해서도 동일하게 하여 검토할 수 있다.
그리고, 본 발명에서는, 활성 금속 화합물층의 두께에 관한 적합 범위도 명확히 한다. 즉, 본 발명의 회로 기판에 있어서의 접합층의 활성 금속 화합물층의 두께는, 접합층 전체의 두께에 대하여 1/40 이상 1/10 이하인 것이 바람직하다. 이 수치 범위로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 있어서의 활성 금속 화합물층은, 접합층 전체에 대하여 상당히 박층이라고 할 수 있다. 이렇게 본 발명에 있어서의 활성 금속 화합물층이 비교적 얇아지는 것은, 접합층 중의 활성 금속 함유량이 낮은 것에 기인하고 있다. 이 활성 금속 화합물층의 두께를 상기 범위로 한 것은, 1/40 미만이면 세라믹스와 금속(납재층)의 결합력이 모자라게 되는 한편, 1/10을 초과해도 접합력에 차이는 발생하지 않는다. 이 활성 금속 화합물층의 두께는, 접합층 전체에 대하여 1/40 이상 1/20 이하인 것이 보다 바람직하다.
이상대로, 본 발명에 따른 세라믹스 회로 기판에 있어서는, 접합층 내에서 극히 얇은 활성 금속 화합물층이, 높은 면적률(점유율)로 접합 계면에 형성되어 있다. 본 발명에서 이와 같이 두께는 얇은데도 면적은 넓게 되어 있는 활성 금속 화합물층이 형성되는 이유는, 합금화된 활성 금속 납재를 적용하였기 때문이다. 상기한 바와 같이, 활성 금속 납재의 합금에 있어서는, 원자 레벨의 활성 금속이 빠르게 접합 계면으로 이동하고, 접합 계면을 밀하게 덮으면서 세라믹스 기판과 화합 물상을 형성한다. 활성 금속의 함유량은 낮기 때문에, 그 두께는 얇기는 하지만, 고효율로 접합 계면을 피복함으로써, 높은 내구성의 접합층이 형성된다.
또한, 상기한 활성 금속 화합물층의 두께와는 달리, 접합층 전체의 두께에 대해서는, 특별히 제한되지 않고, 사용하는 활성 금속 납재의 두께, 용적에 따라서 조정된다. 단, 회로 기판을 가능한 한 저프로파일화하면서 접합력을 확보하기 위해서, 접합층은 5㎛ 이상 50㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서의 접합층은, 보이드가 적은 치밀질인 것이 바람직하다. 여기에서의 보이드란, 비교적 미소한 금속이 없는 공간(공극)으로 한다. 보이드는, 과잉으로 존재하면 접합층의 강도에 영향을 미친다. 또한, 보이드 내의 기체가 열팽창·수축을 반복함으로써, 주변부의 깨짐을 초래할 우려가 있으므로, 소량이라도 바람직하지 않다. 구체적으로는, 공극률로서 5％ 이하인 것이 바람직하다. 당연히 0％인 것이 가장 바람직하다. 이 공극률은, 예를 들어 접합층의 임의 단면의 조직 관찰을 행하여, 화상을 기초로 공극의 면적률을 측정함으로써 산출할 수 있다. 또한, 초음파 탐상법에 의해도 간편하게 측정할 수 있다.
(C) 세라믹스 기판
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는, 적합한 형태의 활성 금속 화합물층이 형성된 접합층을 가짐으로써, 고수명으로 구리의 박리나 기판의 깨짐이 억제된 세라믹스 회로 기판으로 하고 있다. 여기서, 세라믹스 기판의 구성 재료는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 질화 알루미늄, 질화 규소, 알루미나, 지르코니아, 붕화 란탄, 질화 붕소, 탄화 규소, 그래파이트 중 어느 것이 바람직하다. 또한, 세라믹 기판의 두께에 대해서는, 특별히 규정은 없다. 사용하는 모듈에 요구되는 방열 특성을 고려하여 적절하게 선택할 수 있다.
(D) 구리 회로 및 구리 방열판
또한, 세라믹스 기판에 접합하는 구리 회로 및 구리 방열판에 대해서, 이것은 구리계 재료로 구성된다. 구리계 재료란, 구리 또는 구리 합금이다. 구리에는, 순구리, 무산소 구리, 터프 피치 구리 등이 포함된다. 구리 합금으로서는, Cu-Mo 합금, Cu-Fe-P 합금 등을 들 수 있다.
구리 회로 및 구리 방열판의 두께에 대해서도, 본 발명에서는 제한되는 일은 없다. 상술한 바와 같이, 파워 모듈용 세라믹스 회로 기판에 있어서는, 방열 능력 향상을 위한 후동화의 요구가 있고, 구리 회로 및 구리 방열판을 두껍게 하는 경향이 있다. 구체적으로는, 구리 회로 및 구리 방열판을 지금까지의 0.4mm 전후에서 0.8mm 내지 1.2mm로까지 두껍게 할 것이 요구되고 있다. 본 발명은 이러한 후동화의 요구에도 대응할 수 있다.
또한, 구리 회로의 두께와 구리 방열판의 두께는, 동일해도 되지만 상이해도 된다. 단, 각각의 체적이 상이하면, 방열성이 표리에서 상이한 회로 기판이 된다. 특히, 구리 방열판은 평탄한 판 형상으로 하는 것이 일반적이지만, 구리 회로는 탑재할 반도체 소자의 구조에 따라서 형성되어 있다. 따라서, 구리 회로와 구리 방열판의 두께에 대해서는, 그것들의 체적비(구리 회로/구리 방열판)로서 0.5 이상 2 이하로 하면 방열성이 균등하여 열팽창 균형이 양호한 회로 기판이 된다.
(E) 본 발명에 따른 세라믹스 회로 기판의 제조 방법
이어서, 본 발명에 따른 세라믹스 회로 기판의 제조 방법에 대하여 설명한다. 지금까지 반복하여 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 세라믹스 기판에 구리 회로 및 구리 방열판을 접합할 때, 납재 성분과 활성 금속이 합금화된 벌크상의 활성 금속 납재를 사용한다. 여기서, 벌크상의 활성 금속 납재의 공급 형태에 대해서는 미리, 당해 활성 금속 납재를, 구리 회로 및 구리 방열판을 형성하기 위한 동판에 접합(클래드)한 복합 재료를 사용함으로써, 회로 기판의 제조 효율화를 도모할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 회로 기판의 제조 방법은, 구리계 재료를 포함하는 동판재의 편면에, 납재 성분과 활성 금속이 합금화되어 이루어지는 활성 금속 납재를 클래드한 복합 재료를 준비하고, 세라믹스 기판의 양면에, 상기 활성 금속 납재가 접하도록 상기 복합 재료를 배치한 후, 상기 복합 재료를 가열하여 상기 활성 금속 납재를 용융하고, 상기 동판재를 상기 세라믹스 기판의 양면에 접합하는 공정을 갖는 세라믹스 회로 기판의 제조 방법이다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 세라믹스 회로 기판의 제조 방법에서는, 활성 금속 납재를 동판에 클래드한 복합 재료를 이용하고, 이것을 적절한 접합 조건 하에서 세라믹스 기판에 접합하는 것을 주제 사항으로 한다. 그래서, 이 복합 재료에 대하여 설명한다.
복합 재료를 구성하는 동판에 대해서는, 상기한 구리계 재료를 포함하는 판재가 사용된다. 이 동판의 두께, 치수는, 제조하는 세라믹스 회로 기판의 구리 회로 및 구리 방열판의 두께와 동일하게 할 수 있다.
그리고, 동판에 클래드하는 활성 금속 납재는, 납재층과 활성 금속 화합물층을 포함하는 접합층의 전구체라고 해야 할 것이다. 따라서, 상술한 바와 같이, 클래드되는 활성 금속 납재는, Ag를 필수 성분으로 함과 함께 적어도 2종 이상이 금속을 포함하는 납재 성분과, 적어도 1종 이상의 활성 금속을 포함한다. Ag 이외의 납재 성분으로서는 Cu, Sn, In, Ni, Si, Li의 적어도 어느 것을 포함하는 것이 바람직하다. 활성 금속으로서는 Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, V, Cr, Y, Al, Mo의 적어도 어느 것을 포함한다. 활성 금속 납재는, Cu를 포함할 때, 활성 금속 납재에 대하여 20중량％ 이상 40중량％ 이하 포함되어 있는 것이 바람직하다. 또한, Sn, In, Ni, Si, Li의 적어도 어느 것을 포함할 때, 그것들의 합계 함유량이, 활성 금속 납재에 대하여 0.1질량％ 이상 10질량％ 이하로 되는 것이 바람직하다. 또한, 활성 금속의 함유량은, 활성 금속 납재에 대하여 합계로 0.5질량％ 이상 2.0질량％ 이하가 바람직하고, 1.0질량％ 이상 2.0질량％ 이하가 보다 바람직하다.
활성 금속 납재의 구체적인 조성으로서는, Ag-Cu-Ti 합금(Cu: 20질량％ 이상 40질량％ 이하, Ti: 0.5질량％ 이상 2질량％ 이하, 잔부 Ag), Ag-Cu-Ti-Sn 합금(Cu: 20질량％ 이상 40질량％ 이하, Ti: 1.0질량％ 이상 2.0질량％ 이하, Sn: 1.2질량％ 이상 6.0질량％ 이하 잔부 Ag), Ag-Cu-Ti-Zr-Sn 합금(Cu: 20질량％ 이상 40질량％ 이하, Ti: 1질량％ 이상 2질량％ 이하, Zr: 0.2질량％ 이상 2.0질량％ 이하, Sn: 1.2질량％ 이상 6.0질량％ 이하, 잔부 Ag) 등을 들 수 있다. 이들 활성 금속 납재를 용융하여 응고시킨 것이, 접합층을 형성할 수 있다. 따라서, 이들의 활성 금속 납재를 적용했을 때의 접합층은 Ag-Cu-Ti 합금, Ag-Cu-Ti-Sn 합금, Ag-Cu-Ti-Zr-Sn 합금, Ag-Cu 합금, Ag-Cu-Sn 합금, Ag-Cu-Zr 합금의 적어도 어느 것을 포함하게 된다.
또한, 상기 구체예의 중에서, Ag-Cu-Ti-Sn 합금(Cu: 20질량％ 이상 40질량％ 이하, Ti: 1.0질량％ 이상 2.0질량％ 이하, Sn: 1.2 질량％ 이상 6.0질량％ 이하 잔부 Ag)에 대해서는, 활성 금속 Ti의 양과 첨가 원소 Sn의 양 사이에서 Sn/Ti가 1.2 이상 5.0 이하의 관계가 성립하고 있는 것이 특히 바람직하다. Sn/Ti의 제어에 의해, 클래드하는 활성 금속 납재의 가공성을 확보할 수 있다. 그것에 의하여, 활성 금속 납재의 박형화가 가능하게 된다.
그리고, 복합 재료에 있어서의 활성 금속 납재의 두께는, 5㎛ 이상 50㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 5㎛ 미만이면 납재가 부족하여 접합성이 있는 접합층을 형성할 수 없다. 50㎛를 초과하면, 회로 기판의 저프로파일화에 지장이 발생하는 것 외에, 납재의 비어져 나옴이 발생할 우려가 있다. 동판에 클래드하는 활성 금속 납재의 형상에 대해서는 특별히 규정은 없지만, 동판의 전체면에 활성 금속 납재를 클래드하고 있는 것이 바람직하다.
또한, 제조된 복합 재료는, 구리 회로 및 구리 방열판이 되는 동판과 활성 금속 납재가 일체화된 소재이므로, 이 복합 재료를 추가로 가공할 수도 있다. 예를 들어, 구리 방열판은 직사각형의 평판인 것이 많다는 점에서, 평판 형상의 복합재료를 제조하고, 그대로 세라믹스 기판에 접합함으로써 구리 방열판으로 할 수 있는 경우가 많다. 한편, 구리 회로에 대해서는, 반도체 칩 등을 탑재할때까지 그것에 따른 회로 형상으로 할 필요가 있다. 본 발명에서 적용하는 복합 재료는, 세라믹스 기판에 접합하기 전에, 프레스 가공·펀칭 가공에 의해 회로 형상으로 가공할 수 있다.
이와 같이, 세라믹스 기판의 한쪽 면에 접합하는 복합 재료에 대해서, 그 평면 형상이 회로 형상이 되도록 가공되어 있는 것을 사용할 수 있는 것은, 본 발명의 장점 하나이다. 즉, 종래 기술인 페이스트상의 납재는 유동성이 있으므로, 복잡한 형상을 갖는 구리 회로를 접합하는 경우, 그 전에 납재의 형상을 제조하여 고정하는 것은 어렵다. 그 때문에, 종래법에 있어서의 구리 회로의 형성에 있어서는, 세라믹스 기판에 평면상의 동판을 접합한 후, 동판을 에칭하여 회로를 형성하는 것이 일반적이다. 그러나, 에칭과 같은 화학적·전기 화학적인 금속 용해 프로세스는, 앞으로의 후동화에 대응이 곤란해질 것으로 예측된다. 이에 비해, 본 발명에서 사용하는 복합 재료는, 고체상 금속이므로, 프레스 가공이나 펀칭 가공 등에 의한 성형 가공이 가능하다. 그리고, 이 가공은 세라믹스 기판에의 접합 전에 실시할 수 있다. 이에 의해, 세라믹스 회로 기판의 제조 효율을 크게 높일 수 있다.
본 발명에 따른 세라믹스 회로 기판의 제조 방법에서는, 이상과 같이 하여 제조되어 준비된 복합 재료를, 세라믹스 기판의 양면에 배치하고, 가열하여 복합 재료를 접합한다. 여기서, 이 활성 금속 납재에 의한 접합의 조건에 대해서는, 상술한 접합층의 구성(활성 금속 화합물층의 두께 및 접합 면적)을 발현시키는 것일 것이 요구된다.
세라믹스 기판에 대한 복합 재료의 접합 조건으로서는, 그 분위기를 진공 분위기(1×10-2Pa 이하) 또는 희가스 분위기로 한다. 그리고, 접합 온도로서, 활성 금속 납재의 융점에 대하여 +15℃ 이상 +25℃ 이하의 범위 내로 할 것이 요구된다. 이 접합 온도란, 활성 금속 납재의 온도이며, 피접합재의 온도이다. 이러한 엄밀한 조건 관리 하, 상술한 적합한 구성의 접합층이 형성된다. 또한, 복합 재료의 접합 공정에 있어서, 가열은 활성 금속 납재를 상기 온도로 가열하면 충분하지만, 편의상, 복합 재료와 세라믹스 기판을 모두 상기 분위기에 두어도 된다.
이상과 같이 하여 복합 재료와 세라믹스 기판을 접합함으로써 세라믹스 회로 기판을 얻을 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이, 구리 회로가 되는 복합 재료에 대해서는, 세라믹스 기판과의 접합 전에 회로 형상으로 성형 가공해 두면, 즉시 구리 회로를 제공한 회로 기판을 얻을 수 있다. 단, 평면상의 복합 재료를 세라믹스 기판에 접합하고, 그 후 에칭 등에 의해 구리 회로를 형성하는 것을 부정하는 것은 아니다. 본 발명에 관한 세라믹스 회로 기판 및 그 제조 방법에서는 구리 회로의 두께를 한정하는 일은 없다. 따라서, 구리 회로가 얇은 경우나 구리 회로의 형상에 따라서는, 복합 재료와 세라믹스 기판을 접합한 후에 에칭 처리한 쪽이 효율적인 경우가 있기 때문이다.
이상 설명한, 본 발명에 따른 세라믹스 회로 기판은, 접합층의 성분 조성과 구조를 최적화함으로써 접합층의 내구성이 향상되었고, 열 응력·열 사이클에 대한 구리 회로·구리 방열판의 박리나 기판 깨짐이 억제되고 있다. 이 접합층의 구성은, 종래 기술에서는 형성하는 것은 불가능하다. 이것은, 세라믹스 회로 기판의 제조 분야에서, 종래, 사용되고 있지 않은 합금화된 활성 금속 납재를 적절하게 사용하였기 때문이다. 그리고, 본 발명에 따른 세라믹스 회로 기판의 제조에 있어서는, 미리, 구리 회로·구리 방열판이 되는 동판과 활성 금속 납재를 클래드한 복합 재료를 적용한다. 이에 의해, 효율적인 세라믹스 회로 기판의 제조가 가능하게 되었다.
도 1은, 접합층의 접합 면적에서 차지하는 활성 금속 화합물층의 접합 면적의 비율 측정 방법의 예를 설명하는 도면.
도 2는, 본 실시 형태에서 제조한 세라믹스 회로 기판의 접합층의 단면 사진.
도 3은, 본 실시 형태에서 제조한 세라믹스 회로 기판의 접합층의 EDX 분석에 있어서의 Ti 매핑 화상.
제1 실시 형태: 이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 이하에 기재하는 실시예에 기초하여 설명한다. 본 실시 형태에서는, 구리 회로 및 구리 방열판의 두께가 모두 0.8mm인 세라믹스 회로 기판을 제조하고, 그 접합층의 구성을 검토함과 함께, 세라믹스 회로 기판의 열 내구성을 평가하였다. 여기서, 세라믹스 회로 기판의 제조 공정으로서, 먼저, 동판과 활성 금속 납재를 클래드한 복합 재료를 제조하고, 이것을 세라믹스 기판에 접합하였다.
[복합 재료의 제조]
본 실시 형태에서는, 활성 금속 납재로서, Ag-Cu-Ti-Sn 합금(Cu: 28.0질량％, Ti: 2.0질량％, Sn: 5.0질량％)을 제조하고, 이것을 테이프재로 가공하여 동판에 클래드 접합하였다. 활성 금속 납재의 제조는, 상기 조성의 합금 잉곳을 용해 주조로 제조하고, 잉곳에 대하여 어닐링과 냉간 압연의 조합을 복수 행하여 테이프 형상의 활성 금속 납재를 제조하였다. 그리고, 제조한 테이프 형상의 활성 금속 납재와, 준비해 둔 테이프 형상의 동판(무산소 구리제)을 압연 롤로 클래드 접합하였다. 이 테이프 형상의 클래드재를 절단하여 복합 재료를 얻었다. 이 복합 재료는, 치수 20mm×20mm로 활성 금속 납재의 두께가 20㎛이고 동판의 두께가 0.8mm였다.
[세라믹스 회로 기판의 제조]
세라믹스 기판으로서 질화 규소(Si3N4)를 포함하는 기판(21mm×21mm, 두께 0.32mm)을 사용하였다. 이 세라믹스 기판의 양면에 상기에서 제조한 복합 재료를 고정하여 진공로 중에서 접합하였다. 접합 조건은, 진공 분위기(3×10-3Pa), 접합 온도 790℃(납재 융점+20℃)로 하고, 접합 온도 도달로부터 20분 유지하였다. 가열 후 냉각하여 세라믹스 회로 기판을 제조하였다. 제조한 세라믹스 회로 기판은, 어느 접합층도 두께가 20㎛였다.
비교예: 제1 실시 형태에서 제조한 세라믹스 회로 기판과 비교하기 위해, 페이스트상의 활성 금속 납재를 사용하여 세라믹스 회로 기판을 제조하였다. 이 비교예에서 사용한 페이스트상의 활성 금속 납재는, AgCu 합금 분말, Sn 분말, 또한, TiH2 분말을 유기 용제에 분산하여 이루어지는 것이다. 이들 금속 분말 및 화합물 분말의 입경은, 모두 체 개구 45㎛ 이하의 것이었다. 각 금속의 구성비는, Cu: 27질량％, Ti: 2질량％, Sn: 3질량％, Ag: 잔부로 하였다. 그리고, 본 실시 형태와 같은 세라믹스 기판(Si3N4)에, 상기 페이스트상 납재를 도포하였다(도포 면적 20mm×20mm). 이어서, 도포한 페이스트상 납재의 면 상에, 본 실시 형태와 같은 무산소 구리를 포함하는 동판(두께 0.8mm)을 적재하였다. 그 후, 790도에서 20분 유지하여 동판을 접합하여 세라믹스 회로 기판으로 하였다.
[접합층의 구조 확인]
제조한 세라믹스 회로 기판에 대해서, 접합층의 단면 구조를 SEM 관찰하였다. 그 일례로서, 도 2에, 세라믹스 기판과 구리 회로 사이에 있어서의 접합층 부근의 단면 사진을 나타내었다. 이어서, 접합층의 단면에 대하여 EDX 분석을 하였다. EDX 분석은, 배율 500배, 가속 전압 15kV로 하고, 접합층의 세라믹스 기판과의 계면을 분석하였다. 이때, 두 접합층(세라믹스 기판과 구리 회로 사이의 접합층과, 세라믹스 기판과 구리 방열판 사이의 접합층)에 대해서, 복수 개소를 분석하였다. 이 분석 결과의 일례로서, 도 3에 Ti의 매핑의 결과를 나타내었다. 도 3으로부터, 접합층의 세라믹스 기판측 계면에 있어서, Ti가 부화한 층이 존재하고 있음이 확인되고, 이 층을 활성 금속 화합물층과 동정하였다. 또한, 이 EDX 분석에 있어서, Ag, Cu, Sn, Si, N의 각 원소에 관한 분석도 행하였고, 접합층 내에서 활성 금속 화합물층 위(구리 회로 또는 구리 방열판의 방향)에, Ag, Cu, Sn의 납재 성분을 포함하는 납재층이 형성되어 있음을 확인하였다.
그리고, 상기 EDX의 분석 결과를 이용하여, 활성 금속 화합물층의 접합 면적을 산출하였다. 본 실시 형태에서는, 도 3에서 예시한 Ti의 매핑 화상에 기초하여, 활성 금속 화합물층의 폭을, 금속 화합물층의 접합 면적으로 간주하여 측정을 행하였다. 본 실시 형태에서 사용한 매핑 화상은, 화소수가 192픽셀×256픽셀이고, 1픽셀=1㎛ 상당했으므로 관찰 시야는 192㎛×256㎛에 상당한다. 활성 금속 화합물층의 폭의 측정 시에는, 접합층과 세라믹의 계면에서 Ti가 존재하지 않는 부분(도 3에서 흑색으로 되어 있는 부분)을 활성 금속 화합물층이 존재하고 있지 않는 영역이라고 판정하였다. 그리고, 그러한 활성 금속 화합물층이 없는 영역의 폭(픽셀수)의 합계를, 화상 전체의 가로 폭의 픽셀수(256픽셀)에서 빼고, 그 결과를 활성 금속 화합물층의 폭으로 하였다. 또한, 이 활성 금속 화합물층의 폭을, 화상 전체의 가로 폭으로 제산하여 활성 금속 화합물층의 접합 면적의 비율로 하였다.
본 실시 형태에서는, 제조한 세라믹스 회로 기판(접합층의 평면 치수: 20mm×20mm)을 횡단하도록 절단해서 4개의 시료(접합층의 평면 치수: 20mm×5mm)로 분할하고, 수지 메우기 및 연마하여 단면 관찰용 샘플을 4개 제작하였다. 그리고, 각 샘플로부터 각각 10 시야의 영역에 대해서, 상기와 같은 분석 및 측정 작업을 행하였다(N=40). 그 결과, 본 실시 형태에 있어서의, 접합층과 세라믹스 기판의 접합 면적에서 차지하는, 활성 금속 화합물층과 세라믹스 기판의 접합 면적의 비율은 93％였다.
또한, 본 실시 형태에서 제조한 회로 기판의 접합 계면에 있어서의 활성 금속 화합물층의 두께도 측정하였다. 이 두께 측정은, 배율 3000배로 EDX 분석을 행하고, Ti가 존재하는 영역에 대해서, 임의의 복수 개소에서 두께를 측정하여 평균값을 산출하고, 활성 금속 화합물층의 두께로 하였다. 본 실시 형태의 활성 금속 화합물층의 두께의 평균은, 0.80㎛였다. 따라서, 활성 금속 화합물층의 두께는 접합층 전체에 대하여 0.04였다.
또한, 본 실시 형태의 세라믹스 회로 기판의 접합층의 전체면에 대해서, 초음파 탐상법(장치명: 히타치 UTS100C)에 의한 표면 검사를 행한 결과, 공극률은 0％이고, 접합층은 보이드가 없는 치밀한 상태임이 확인되었다.
한편, 비교예에 대하여 보면, 접합층의 조직 그 자체는 본 실시 형태와 대략 동일하고, 납재층과 활성 금속 화합물층이 관찰되었다. 그리고, 본 실시 형태와 동일한 방법으로, 접합층의 접합 면적에서 차지하는 활성 금속 화합물층의 접합 면적의 비율을 산출한 바, 58％였다. 또한, 활성 금속 화합물층의 두께는, 0.6㎛였다. 또한, 추가로, 초음파 탐상법에 의한 표면 검사를 행한 결과, 공극률은 10％였다.
[내구성 평가]
이어서, 본 실시 형태 및 비교예의 세라믹스 회로 기판에 대해서, 접합층의 내구성을 평가하기 위해서, 열 사이클 시험을 행하였다. 본 실시 형태에서의 열 사이클 시험은, 저온 영역(-50℃)과 고온 영역(150℃)의 각각에 30분 유지하여 가열 냉각하는 조작을 1 사이클로 하고 이것을 1000 사이클 실시하는 시험이다. 그리고, 1000 사이클 후의 세라믹스 회로 기판에 대해서, 동판의 박리 유무를 초음파 탐상기에 의해 평가하였다.
이 열 사이클 시험은 N=2로 실시하고, 본 실시 형태의 세라믹스 회로 기판에서는 어느 시험에서도 100％ 박리가 발생하지 않았다. 한편, 비교예의 세라믹스 회로 기판에서는, N=2에서 100％ 박리가 발생하였다. 이것은, 비교예의 접합층의 접합 면적에서 차지하는 활성 금속 화합물층의 접합 면적의 비율이 낮았던 것에 기인한다고 생각된다.
제2 실시 형태: 여기에서는, 조성이 상이한 복수의 활성 금속 납재를 사용하여 회로 기판을 제조하였다. 제1 실시 형태와 동일하게 하여, 하기 표 1에 기재된 조성의 활성 금속 납재를 제조하여 복합 재료를 제조하였다. 그리고, 제1 실시 형태와 동일하게 회로 기판을 제조하였다.
본 실시 형태에서는, 기본적으로 제1 실시 형태와 동일한 접합 조건을 적용했지만, 일부의 실시예(No.2, No.7)에서는, 활성 금속 납재의 두께를 제1 실시 형태보다 얇게(15㎛) 하면서, 접합 온도를 약간 높게(납재 융점+25℃) 설정하였다.
그리고, 제조한 회로 기판에 대해서, 먼저, 외관 평가를 행하고, 접합층 부근의 박리 유무나 납재의 기어오름의 유무를 확인하였다. 또한, 제1 실시 형태와 동일하게 하여, 접합층의 단면을 관찰하여 접합층의 두께와 활성 금속 화합물층의 두께를 측정하고(모두 평균값), 양자의 비율을 계산하였다.
외관 검사에 합격한 회로 기판에 대해서, 제1 실시 형태와 동일하게 하여, 접합층과 세라믹스 기판의 접합 면적에서 차지하는, 활성 금속 화합물층과 세라믹스 기판의 접합 면적의 비율을 측정하였다(N=40). 또한, 초음파 탐상법으로 표면 검사를 행하여, 공극률을 측정하였다.
그리고, 제1 실시 형태와 동일하게, 접합층의 내구성의 평가를 위한 열 사이클 시험을 행하였다. 시험 조건은, 제1 실시 형태와 동일하게 하였다. 본 실시 형태에서는, 열 사이클 시험을 N=3으로 실시하고, 100％ 박리가 발생하지 않은 것을 합격 「○」으로 평가하고, 1회라도 박리가 발생한 경우를 불합격 「×」로 하였다. 이상의 검토 결과를 표 1에 나타내었다.
Figure 112018110832626-pct00001
먼저, 제조 조건으로서 활성 금속 납재의 두께가, 너무 얇은 경우나 너무 두꺼운 경우(No.3, No.4), 접합층의 박리나 납재 기어오름이 발생하므로, 제조 시의 납재 두께에 배려가 필요하다는 것이 확인되었다. 또한, 활성 금속 납재 중의 활성 금속(Ti)의 함유량이 0.5질량％ 미만인 경우, 접합층 중의 활성 금속의 함유량에 부족이 발생했기 때문에 박리가 발생한다(No.8). 이 경우, 활성 금속 화합물층의 두께는 극히 얇게 되어 있다.
그리고, 외관 검사에서 합격한 회로 기판에 대해서는, 대략 내구 시험 결과는 합격이었지만, 접합층과 세라믹스 기판과의 접합 면적에서 차지하는, 활성 금속 화합물층과 세라믹스 기판의 접합 면적의 비율이, 88％를 하회하는 회로 기판에 대해서는 박리가 보였다(No.7). 이 회로 기판에서는, N=3의 시험에 있어서 1회만 박리가 발생했기 때문에 불합격이었다. No.7의 회로 기판은, 활성 금속 납재 중의 Ti 농도가, 제1 실시 형태나 No.2의 실시예보다도 조금 낮게 설정되어 있다. 그리고, 납재의 두께도 약간 얇게 하는 한편, 접합 온도를 약간 높게 설정하고 있었다. 이러한 조건들의 종합적인 작용에 의해, No.7의 회로 기판에서는, 활성 금속 화합물층의 형성은 보이기는 했지만, 세라믹 기판과의 계면에서의 접합 면적의 비율에 부족이 발생했다고 생각된다. 또한, 이 No.7의 회로 기판은, 초음파 탐상법의 결과로부터 공극률이 그다지 높은 것은 아니지만, 내구 시험의 결과에서는 박리가 발생하였다. 즉, 내구성을 엄밀하게 추궁하는 것이라면, 단순히 접합 계면에 있어서의 보이드의 유무를 평가하는 것뿐만 아니라, 활성 금속 화합물층의 접합 면적의 검토를 행하는 것이 바람직하다는 것이 확인되었다.
본 발명에 따른 세라믹스 회로 기판은, 접합층의 세라믹스 기판에 대한 접합력이나 내구성이 향상되었고, 열 응력·열 사이클을 받았을 때의 구리 회로·구리 방열판의 박리나 기판 깨짐이 억제되었다. 본 발명은 하이브리드 차, 차량, 발전 설비 등에 이용되고 있는 각종 파워 모듈의 회로 기판으로서 적합하다. 그리고, 고밀도화·고출력화가 예상되는 파워 모듈에 대한 대응도 가능하다.

Claims (10)

  1. 세라믹스 기판과,
    상기 세라믹스의 한쪽 면에 접합층을 개재하여 접합된 구리계 재료를 포함하는 구리 회로와,
    상기 세라믹스의 다른 쪽 면에 접합층을 개재하여 접합된 구리계 재료를 포함하는 구리 방열판을 포함하는 세라믹스 회로 기판에 있어서,
    상기 접합층은, Ag를 필수 성분으로 함과 함께 적어도 2종 이상의 금속을 포함하는 납재 성분과, 적어도 1종 이상의 활성 금속 성분을 포함하고, 상기 활성 금속의 함유량이, 접합층 전체의 금속 원소량에 대하여 0.5질량％ 이상 2.0질량％ 이하로 되어 있고,
    상기 접합층은, 상기 납재 성분을 포함하는 납재층과 상기 활성 금속을 포함하는 활성 금속 화합물층을 포함하고, 상기 활성 금속 화합물층이 상기 세라믹스 기판과의 접합계 면을 따라 형성되어 있고,
    또한, 상기 접합층과 상기 세라믹스 기판과의 접합 면적에서 차지하는, 상기 활성 금속 화합물층과 상기 세라믹스 기판의 접합 면적의 비율이, 88％ 이상인 것을 특징으로 하는 세라믹스 회로 기판.
  2. 제1항에 있어서, 납재 성분으로서, Cu, Sn, In, Ni, Si, Li의 적어도 어느 것을 포함하는 세라믹스 회로 기판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 활성 금속으로서, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, V, Cr, Y, Al, Mo의 적어도 어느 것을 포함하는 세라믹스 회로 기판.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 활성 금속 화합물층의 두께가, 접합층 전체에 대하여 1/40 이상 1/10 이하인 세라믹스 회로 기판.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 접합층의 두께는 5㎛ 이상 50㎛ 이하인 세라믹스 회로 기판.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 접합층은 Ag-Cu-Ti 합금, Ag-Cu-Ti-Sn 합금, Ag-Cu-Ti-Zr-Sn 합금, Ag-Cu 합금, Ag-Cu-Sn 합금, Ag-Cu-Zr 합금의 적어도 어느 것을 포함하는 세라믹스 회로 기판.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 세라믹스 기판은 질화 알루미늄, 질화 규소, 알루미나, 지르코니아, 붕화 란탄, 질화 붕소, 탄화 규소, 그래파이트의 어느 것을 포함하는 세라믹스 회로 기판.
  8. 제1항 또는 제2항에 기재된 세라믹스 회로 기판의 제조 방법이며,
    구리계 재료를 포함하는 동판재의 편면에, 납재 성분과 활성 금속이 합금화 하여 이루어지는 활성 금속 납재를 클래드한 복합 재료를 준비하고,
    세라믹스 기판의 양면에, 상기 활성 금속 납재가 접하도록 상기 복합 재료를 배치한 후,
    상기 복합 재료를 가열하여 상기 활성 금속 납재를 용융하고, 상기 동판재를 상기 세라믹스 기판의 양면에 접합하는 공정을 갖는 세라믹스 회로 기판의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 활성 금속 납재는 Ag-Cu-Ti 합금, Ag-Cu-Ti-Sn 합금, Ag-Cu-Ti-Zr-Sn 합금을 포함하는 세라믹스 회로 기판의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서, 세라믹스 기판의 한쪽 면에 접합하는 복합 재료는, 그 평면 형상이 회로 형상이 되도록 가공되어 있는 세라믹스 회로 기판의 제조 방법.
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