KR102219145B1 - 접합체 및 파워 모듈용 기판 - Google Patents

접합체 및 파워 모듈용 기판 Download PDF

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KR102219145B1
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노부유키 데라사키
요시유키 나가토모
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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 접합체는, 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재가 Cu-P-Sn 계 납재 및 Ti 재를 개재하여 접합된 접합체로서, 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재의 접합 계면에는, 상기 세라믹스 부재 측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 Cu 부재와 상기 Cu-Sn 층 사이에 위치한 Ti 층이 형성되고, 상기 Cu 부재와 상기 Ti 층 사이에, Cu 와 Ti 로 이루어지는 제 1 금속간 화합물층이 형성되고, 상기 Cu-Sn 층과 상기 Ti 층 사이에, P 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층이 형성되어 있다.

Description

접합체 및 파워 모듈용 기판{ASSEMBLY AND POWER-MODULE SUBSTRATE}
본 발명은, 세라믹스 부재와 Cu 부재가 접합된 접합체, 및 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층이 형성된 파워 모듈용 기판에 관한 것이다.
본원은, 2013년 8월 26일에, 일본에 출원된 일본 특허출원 2013-175000호에 근거해 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
LED 나 파워 모듈 등의 반도체 장치는, 도전 재료로 이루어지는 회로층 상에 반도체 소자가 접합된 구조를 구비한다.
풍력 발전, 전기 자동차 등의 전기 차량 등을 제어하기 위해서 사용되는 대전력 제어용 파워 반도체 소자는, 발열량이 많다. 이 때문에, 이와 같은 파워 반도체 소자를 탑재하는 기판으로서, 예를 들어 AlN (질화알루미늄) 등으로 이루어지는 세라믹스 기판의 일방의 면에 도전성이 우수한 금속판을 회로층으로서 접합한 파워 모듈용 기판이, 종래부터 널리 사용되고 있다. 또, 세라믹스 기판의 타방의 면에, 금속판을 금속층으로서 접합하는 경우도 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에 나타내는 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) 의 일방의 면에, Cu 판 (Cu 부재) 을 접합함으로써 회로층이 형성된 구조로 되어 있다. 이 파워 모듈용 기판에서는, 세라믹스 기판의 일방의 면에, Cu-Mg-Ti 납재를 개재시켜 Cu 판을 배치한 상태에서, 가열 처리를 실시함으로써 Cu 판이 접합되어 있다.
일본 특허 제4375730호
그런데, 특허문헌 1 에 개시된 바와 같이, Cu-Mg-Ti 납재를 개재하여 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합하면, 세라믹스 기판의 근방에는, Cu, Mg, 또는 Ti 를 포함하는 금속간 화합물이 형성된다.
이 세라믹스 기판 근방에 형성되는 금속간 화합물은 단단하기 때문에, 파워 모듈용 기판에 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 기판에 발생하는 열응력이 커져, 세라믹스 기판에 크랙이 생기기 쉬워지는 문제가 있었다. 또, 상기 서술한 금속간 화합물층은 무르기 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 금속간 화합물이 파괴되어, 세라믹스 기판과 회로층의 접합률이 악화되고, 접합 신뢰성이 저하할 우려가 있었다.
특히 최근에는, 파워 모듈의 사용 환경이 혹독해지고 있어, 냉열 사이클의 조건이 엄격해지고 있다. 따라서, 파워 모듈용 기판에 있어서, 세라믹스 기판에 크랙이 생기고 쉽고, 또한 세라믹스 기판과 회로층의 접합 신뢰성이 저하하기 쉬운 경향이 있다.
본 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 세라믹스 부재에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있음과 함께, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있는 접합체, 및 파워 모듈용 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제 1 양태에 관련된 접합체는, 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재가 Cu-P-Sn 계 납재 및 Ti 재를 개재하여 접합된 접합체로서, 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재의 접합 계면에는, 상기 세라믹스 부재측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 Cu 부재와 상기 Cu-Sn 층 사이에 위치한 Ti 층이 형성되고, 상기 Cu 부재와 상기 Ti 층 사이에, Cu 와 Ti 로 이루어지는 제 1 금속간 화합물층이 형성되고, 상기 Cu-Sn 층과 상기 Ti 층 사이에, P 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층이 형성되어 있다.
본 발명의 제 1 양태에 관련된 접합체에 의하면, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 접합 계면에 있어서, Cu-P-Sn 계 납재에 포함되는 P 가, Ti 층측에 형성된 제 2 금속간 화합물층에 도입된다. 이로써, P 를 함유하는 금속간 화합물을 갖지 않거나 혹은 P 를 함유하는 금속간 화합물이 매우 적은 Cu-Sn 층이 세라믹스 부재측에 형성되어 있다. 즉, 세라믹스 부재의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되어 있지 않기 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 부재에 생기는 열응력을 저감할 수 있다. 그 결과, 세라믹스 부재에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또, 무른 금속간 화합물이 세라믹스 기판의 근방에 형성되어 있지 않기 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 접합률 저하를 억제해, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, Cu-Sn 층과 Cu 부재 사이에 Ti 층이 형성되어 있으므로, Sn 이 Cu 부재측으로 확산하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, Cu-P-Sn 계 납재를 개재하여 세라믹스 부재와 Cu 부재를 접합할 때에, Cu-P-Sn 계 납재의 융점이 상승하는 것을 억제할 수 있게 된다.
또, Cu 부재와 Ti 층 사이에 Cu 와 Ti 로 이루어지는 제 1 금속간 화합물층이 형성되어 있으므로, Cu 부재의 Cu 와 Ti 층의 Ti 가 충분히 서로 확산하고 있어, Cu 부재와 Ti 층이 양호하게 접합되어 있다.
또, 상기 제 1 금속간 화합물층의 두께는, 0.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
Cu 와 Ti 로 이루어지는 제 1 금속간 화합물층의 두께가 0.5 ㎛ 이상인 경우, Cu 부재의 Cu 와 Ti 층의 Ti 가 충분히 서로 확산하고 있으므로, 접합 강도를 충분히 확보할 수 있다. 또, 제 1 금속간 화합물층의 두께가 10 ㎛ 이하인 경우, 단단한 제 1 금속간 화합물층이 얇게 형성되어 있으므로, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 세라믹스 부재에 발생하는 열응력을 저감할 수 있다. 이로써, 세라믹스 부재에 크랙이 발생하는 것을 확실하게 억제할 수 있음과 함께, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 접합 신뢰성을 더 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 Ti 층의 두께가 1 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.
이 경우, Ti 층의 두께가 1 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하이므로, Sn 이 Cu 부재측으로 확산하는 것을 확실하게 억제할 수 있다. 그 때문에, Cu-P-Sn 계 납재를 개재하여 세라믹스 부재와 Cu 부재를 접합할 때에, Cu-P-Sn 계 납재의 융점이 상승하는 것을 억제할 수 있게 된다. 또, 비교적 강도가 높은 Ti 층이 두껍게 형성되지 않으므로, 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 부재에 생기는 열응력이 작아져, 크랙의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, Ti 층의 두께는 상기 서술한 범위가 바람직하다.
본 발명의 제 2 양태에 관련된 파워 모듈용 기판은, 상기 서술한 접합체로 이루어지고, 상기 세라믹스 부재로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 제 1 면에 Cu-P-Sn 계 납재를 개재하여 상기 Cu 부재로 이루어지는 Cu 판이 접합되어 이루어지는 회로층을 구비하고, 상기 세라믹스 기판과 상기 회로층의 접합 계면에는, 상기 세라믹스 기판측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 회로층과 상기 Cu-Sn 층 사이에 위치한 Ti 층이 형성되고, 상기 회로층과 상기 Ti 층 사이에, Cu 와 Ti 로 이루어지는 제 1 금속간 화합물층이 형성되고, 상기 Cu-Sn 층과 상기 Ti 층 사이에, P 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층이 형성되어 있다.
본 발명의 제 2 양태에 관련된 파워 모듈용 기판에 의하면, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 계면에 있어서, Cu-P-Sn 계 납재에 포함되는 P 가, Ti 층측에 형성된 제 2 금속간 화합물층에 도입됨으로써, P 를 함유하는 금속간 화합물을 갖지 않거나 혹은 P 를 함유하는 금속간 화합물이 매우 적은 Cu-Sn 층이 세라믹스 기판측에 형성되어 있다. 즉, 세라믹스 기판의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되어 있지 않기 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 기판에 생기는 열응력을 저감할 수 있다. 그 결과, 세라믹스 기판에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또, 무른 금속간 화합물이 세라믹스 기판의 근방에 형성되어 있지 않기 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 세라믹스 기판과 회로층의 접합률 저하를 억제해, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, Cu-Sn 층과 회로층 사이에, Ti 층이 형성되어 있으므로, Sn 이 회로층측으로 확산하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, Cu-P-Sn 계 납재를 이용하여 세라믹스 기판의 제 1 면에 회로층을 형성할 때에, Cu-P-Sn 계 납재의 융점이 상승하는 것을 억제할 수 있게 된다.
또, 회로층과 Ti 층 사이에 Cu 와 Ti 로 이루어지는 제 1 금속간 화합물층이 형성되어 있으므로, 회로층의 Cu 와 Ti 층의 Ti 가 충분히 서로 확산하고 있어, 회로층과 Ti 층이 양호하게 접합되어 있다.
또, 본 발명의 제 2 의 양태에 관련된 파워 모듈용 기판에 있어서, 상기 세라믹스 기판의 제 2 면에 금속층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 세라믹스 기판의 제 2 면에 금속층이 형성되어 있으므로, 금속층을 통하여 세라믹스 기판측의 열을 효율적으로 방산할 수 있다.
또, 상기 금속층은, 상기 세라믹스 기판의 제 2 면에, Cu-P-Sn 계 납재 및 Ti 재를 개재하여 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 판이 접합되어 이루어지고, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속층의 접합 계면에는, 상기 세라믹스 기판측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 금속층과 상기 Cu-Sn 층 사이에 위치한 Ti 층이 형성되고, 상기 금속층과 상기 Ti 층 사이에, Cu 와 Ti 로 이루어지는 제 1 금속간 화합물층이 형성되고, 상기 Cu-Sn 층과 상기 Ti 층 사이에, P 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 세라믹스 기판과 금속층의 접합 계면에 있어서, Cu-P-Sn 계 납재에 포함되는 P 가, Ti 층측에 형성된 제 2 금속간 화합물층에 도입된다. 이로써, P 를 함유하는 금속간 화합물을 갖지 않거나 혹은 P 를 함유하는 금속간 화합물이 매우 적은 Cu-Sn 층이, 세라믹스 기판측에 형성되어 있다. 즉, 세라믹스 기판의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되어 있지 않기 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 기판에 생기는 열응력을 저감할 수 있다. 그 결과, 세라믹스 기판에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또, 무른 금속간 화합물이 세라믹스 기판의 근방에 형성되어 있지 않기 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 세라믹스 기판과 금속층의 접합률 저하를 억제해, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, Cu-Sn 층과 금속층 사이에 Ti 층이 형성되어 있으므로, Sn 이 금속층 측으로 확산하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, Cu-P-Sn 계 납재를 이용하여 세라믹스 기판의 제 2 면에 금속층을 형성할 때에, Cu-P-Sn 계 납재의 융점이 상승하는 것을 억제할 수 있게 된다. 또, 금속층과 Ti 층 사이에 Cu 와 Ti 로 이루어지는 제 1 금속간 화합물층이 형성되어 있으므로, 금속층의 Cu 와 Ti 층의 Ti 가 충분히 서로 확산하고 있어, 금속층과 Ti 층이 양호하게 접합되어 있다.
또, 상기 금속층은, Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 구성으로 되어도 된다.
이 경우, Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 금속층은, 강도가 낮기 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 세라믹스 기판에 생기는 열응력을 저감할 수 있다.
또, 본 발명의 제 2 양태에 관련된 파워 모듈용 기판에 있어서, 상기 Ti 층의 두께가 1 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.
이 경우, Ti 층의 두께가 1 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하이므로, Sn 이 회로층측 또는 금속층측으로 확산하는 것을 확실하게 억제할 수 있다. 그 때문에, 회로층 또는 금속층과 비교해 열저항이 큰 Ti 층이 두껍게 형성되지 않고, 파워 모듈용 기판의 열저항을 상승시키지 않는다. 또, 이 경우, 비교적 강도가 높은 Ti 층이 두껍게 형성되지 않고, 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 기판에 생기는 열응력이 작아져, 크랙의 발생을 억제할 수 있다. 이와 같은 이유에 의해, Ti 층의 두께는 상기 서술한 범위가 바람직하다고 되어 있다.
본 발명에 의하면, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 세라믹스 부재에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있음과 함께, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있는 접합체, 및 파워 모듈용 기판을 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 3 은 도 2 에 나타내는 회로층과 세라믹스 기판의 접합 계면에 있어서의 단면을 촬영한 전자현미경 사진과 그 개략도이다.
도 4 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 5 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 8 은 도 7 에 나타내는 금속층과 세라믹스 기판의 접합 계면에 있어서의 단면의 개략도이다.
도 9 는 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 10 은 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 11 은 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 12 는 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 13 은 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 14 는 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
(제 1 실시형태)
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 먼저, 본 발명의 제 1 실시형태에 대하여 설명한다.
본 실시형태에 관련된 접합체는, 세라믹스 부재인 세라믹스 기판 (11) 과, Cu 부재인 Cu 판 (22)(회로층 (12)) 이 접합되어 이루어지는 파워 모듈용 기판 (10) 이다. 도 1 에, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 을 구비한 파워 모듈 (1) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (1) 은, 회로층 (12) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (10) 과, 회로층 (12) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 접합층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 제 1 면과 제 2 면을 갖는 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면인 제 1 면(도 2 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (12) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄), Si3N4 (질화규소), Al2O3 (알루미나) 등의 세라믹스로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (11) 은 방열성이 우수한 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에, 도전성을 갖는 Cu 또는 Cu 합금의 금속판 (Cu 판 (22)) 을 Cu-P-Sn 계의 납재 및 Ti 재로서의 Ti 박 (25) 을 개재하여 접합함으로써 형성되어 있다. Cu 판 (22) 은, 예를 들어 무산소구리, 탈산구리, 터프 피치 구리 등으로 되어도 되고, 본 실시형태에서는 무산소구리로 되어 있다. 또, Cu 판 (22) 의 두께는 0.1 ∼ 1.0 ㎜ 의 범위로 되는 것이 바람직하고, 본 실시형태에서는 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
Cu-P-Sn 계의 납재로서, 구체적으로는 Cu-P-Sn 납재, Cu-P-Sn-Ni 계 납재, Cu-P-Sn-Zn 계 납재, Cu-P-Sn-Mn 계 납재, Cu-P-Sn-Cr 계 납재 등을 들 수 있다. Cu-P-Sn 계의 납재에는, P 가 3 mass％ 이상 10 mass％ 이하, Sn 이 0.5 mass％ 이상 25 mass％ 이하 함유되는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, Cu-P-Sn 계의 납재로서 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 를 사용하고 있다. 또, Cu-P-Sn 계의 납재는 박상으로 이용되고, 그 두께는 5 ∼ 150 ㎛ 인 것이 바람직하다.
또한, Cu-P-Sn 계 납재의 융점은 710 ℃ 이하이고, 본 실시형태에서 사용되는 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 의 융점은 580 ℃ 이다. 또한, 본 실시형태에 있어서, Cu-P-Sn 계 납재의 고상선온도를 융점으로 하고 있다.
본 실시형태에 있어서, 회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 재로서 Ti 박 (25), 및 무산소구리로 이루어지는 Cu 판 (22) 을 적층한 상태에서, 이들을 가열 처리해 Cu 판 (22) 을 접합함으로써, 형성되어 있다 (도 5 참조).
또한, 회로층 (12) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
도 3 에, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 계면의 전자현미경 사진 및 그 개략도를 나타낸다. 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 계면에는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 측에 위치하는 Cu-Sn 층 (14) 과, 회로층 (12) 과 Cu-Sn 층 (14) 사이에 위치하는 Ti 층 (15) 이 형성되어 있다.
그리고, 회로층 (12) 과 Ti 층 (15) 사이에는, Cu 와 Ti 로 이루어지는 제 1 금속간 화합물층 (16) 이 형성되어 있다. 또, Cu-Sn 층 (14) 과 Ti 층 (15) 사이에는, P 및 Ni 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층 (17) 이 형성되어 있다.
Cu-Sn 층 (14) 은, Sn 이 Cu 중에 고용된 층이다. 이 Cu-Sn 층 (14) 은, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 에 포함되는 P 및 Ni 가, Ti 층 (15) 측에 형성된 제 2 금속간 화합물층 (17) 에 도입됨으로써 형성되는 층이다. Cu-Sn 층 (14) 의 두께를 1 ㎛ 이상 140 ㎛ 이하의 범위로 설정해도 된다.
Ti 층 (15) 은, 상기 서술한 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 을, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 및 Ti 박 (25) 을 개재하여 접합함으로써 형성되는 층이다. 본 실시형태에 있어서, Ti 층 (15) 의 두께는, 1 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
Ti 층 (15) 의 두께가 1 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 경우, Ti 층은 Sn 이 회로층 (12) 측으로 확산하는 것을 억제하는 배리어층으로서 확실하게 기능한다. 이로써, Sn 의 확산을 확실하게 억제할 수 있다. 또, Ti 층은 Cu 판 (22) 으로 이루어지는 회로층 (12) 과 비교해 열저항이 크다. 이와 같은 Ti 층 (15) 이 두껍게 형성되지 않기 때문에, 파워 모듈용 기판 (10) 의 열저항의 상승을 억제할 수 있다. 또한, Ti 층은 비교적 강도가 높다. 이와 같은 Ti 층 (15) 이 두껍게 형성되지 않기 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 기판 (11) 에 생기는 열응력이 작아지고, 그 결과 크랙의 발생을 억제할 수 있다. 이와 같은 이유에 의해, Ti 층 (15) 의 두께는 상기 서술한 범위가 바람직하다고 되어 있다. 또한, Ti 층 (15) 의 두께를 1 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하로 해도 된다.
제 1 금속간 화합물층 (16) 은, 회로층 (12) 의 Cu 와 Ti 층 (15) 의 Ti 가 서로 확산함으로써 형성되는 층이다. 여기서, Cu 와 Ti 의 확산은, 고상 확산으로 되어 있다. 제 1 금속간 화합물층 (16) 은 Cu4Ti 상, Cu3Ti2 상, Cu4Ti3 상, CuTi 상, CuTi2 상 중 어느 1 종 이상을 갖는다. 본 실시형태에 있어서, 제 1 금속간 화합물층 (16) 은 Cu4Ti 상, Cu3Ti2 상, Cu4Ti3 상, CuTi 상, CuTi2 상을 갖고 있다.
또, 본 실시형태에 있어서, 이 제 1 금속간 화합물층 (16) 의 두께는, 0.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하로 되어 있다.
제 1 금속간 화합물층 (16) 의 두께가 0.5 ㎛ 이상인 경우, 회로층 (12) 의 Cu 와 Ti 층 (15) 의 Ti 가 충분히 서로 확산하고 있어, 회로층 (12) 과 Ti 층 (15) 의 접합 강도를 충분히 확보할 수 있다. 또, 제 1 금속간 화합물층 (16) 의 두께가 10 ㎛ 이하인 경우, 단단한 제 1 금속간 화합물층 (16) 이 얇게 형성되어 있으므로, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 세라믹스 기판 (11) 에 생기는 열응력을 저감해, 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
이와 같은 이유에 의해, 제 1 금속간 화합물층 (16) 의 두께는, 상기 서술한 범위로 설정되어 있다. 또한, 제 1 금속간 화합물층 (16) 의 두께를 0.5 ㎛ 이상 7 ㎛ 이하로 해도 된다.
제 2 금속간 화합물층 (17) 은, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 에 포함되는 P 및 Ni 가 Ti 박 (25) 에 포함되는 Ti 와 결합함으로써 형성된다. 본 실시형태에 있어서, 제 2 금속간 화합물층 (17) 은, 도 3 에 나타내는 바와 같이, Cu-Sn 층 (14) 측으로부터 순서대로 형성된, P-Ni-Ti 층 (17a) 과, P-Ti 층 (17b) 과, Cu-Ni-Ti 층 (17c) 을 갖고 있다. 제 2 금속간 화합물층 (17) 의 두께, 즉 P-Ni-Ti 층 (17a), P-Ti 층 (17b), 및 Cu-Ni-Ti 층 (17c) 의 두께의 합계를, 0.5 ㎛ 이상 6 ㎛ 이하로 해도 된다.
반도체 소자 (3) 는, Si 등의 반도체 재료로 구성되어 있다. 이 반도체 소자 (3) 와 회로층 (12) 은, 접합층 (2) 을 개재하여 접합되어 있다.
접합층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 되어 있다.
다음으로, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (10), 및 파워 모듈 (1) 의 제조 방법에 대해, 도 4 의 플로우도 및 도 5 를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면인 제 1 면 (도 5 에 있어서 상면) 에, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 박 (25), 및 회로층 (12) 이 되는 Cu 판 (22) 을 순서대로 적층한다 (적층 공정 S01). 즉, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 사이에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 측에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 를 배치하고, Cu 판 (22) 측에 Ti 박 (25) 을 배치하고 있다.
본 실시형태에 있어서, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 의 조성은, Cu-7 mass％ P-15 mass％ Sn-10 mass％ Ni 로 되어 있다.
또, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 의 두께는, 5 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하의 범위로 되어 있다. 본 실시형태에서는, 두께 20 ㎛ 의 Cu-P-Sn-Ni 납재를 사용하고 있다.
또, Ti 박 (25) 의 두께는, 6 ㎛ 이상 25 ㎛ 이하의 범위로 되어 있고, Ti 박 (25) 은 순도 99.4 ％ 이상으로 되어 있다. 본 실시형태에서는, 두께 10 ㎛, 순도 99.8 ％ 의 Ti 박을 사용하고 있다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11), Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 박 (25), 및 Cu 판 (22) 을 적층 방향으로 가압 (압력 1 kgf/㎠ 이상 35 kgf/㎠ 이하 (0.10 ㎫ 이상 3.43 ㎫ 이하)) 한 상태에서, 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다 (가열 처리 공정 S02). 여기서, 본 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력을 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도를 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간을 30 분 이상 360 분 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
이 가열 처리 공정 S02 에 있어서는, Ti 박 (25) 과 Cu 판 (22) 이 고상 확산에 의해 접합됨과 함께, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 가 용융되어 액상이 형성되고, 이 액상이 응고됨으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 Ti 박 (25) 이 접합된다. 이때, Cu 판 (22)(회로층 (12)) 과 Ti 박 (25)(Ti 층 (15)) 의 접합 계면에는, Ti 와 Cu 로 이루어지는 제 1 금속간 화합물층 (16) 이 형성된다. 또, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 중에 포함되는 P 및 Ni 는, Ti 박 (25) 의 Ti 와 결합하여, 제 2 금속간 화합물층 (17) 이 형성됨과 함께, 세라믹스 기판 (11) 측에는, P 및 Ni 를 함유하지 않거나 혹은 P 및 Ni 가 매우 적은 Cu-Sn 층 (14) 이 형성된다.
이로써, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 회로층 (12) 이 형성되고, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 이 제조된다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (10) 의 회로층 (12) 의 상면에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S03).
이와 같이 하여, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈 (1) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (10) 에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 계면에 있어서, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 에 포함되는 P 및 Ni 가, Ti 층 (15) 측에 형성된 제 2 금속간 화합물층 (17) 에 도입된다. 이로써, P 및 Ni 를 함유하는 금속간 화합물을 갖지 않거나, 혹은 P 및 Ni 를 함유하는 금속간 화합물이 매우 적은 Cu-Sn 층 (14) 이 세라믹스 기판 (11) 측에 형성된다. 즉, 세라믹스 기판 (11) 의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되어 있지 않기 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 기판 (11) 에 생기는 열응력을 저감할 수 있다. 그 결과, 세라믹스 기판 (11) 에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또, 무른 금속간 화합물이 세라믹스 기판 (11) 의 근방에 형성되어 있지 않기 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합률 저하를 억제해, 접합 신뢰성을 향상시킬 수도 있다.
또한, Cu-Sn 층 (14) 과 회로층 (12) 사이에, Ti 층 (15) 이 형성되어 있으므로, Sn 이 회로층 (12) 측으로 확산하는 것을 억제할 수 있다. 이로써, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 를 이용하여 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 회로층 (12) 을 형성할 때에, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 중의 Sn 의 농도 저하를 억제할 수 있으므로, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 의 융점이 상승하는 것을 억제할 수 있게 된다. 즉, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 의 융점 상승을 억제함으로써, 비교적 저온에서 접합을 실시할 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 이 열열화하는 것을 억제할 수 있다.
또, Ti 층 (15) 의 두께가, 바람직하게는 1 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하로 되어 있으므로, Sn 이 회로층 (12) 측으로 확산하는 것을 확실하게 억제할 수 있다. 또, 이 경우, 비교적 강도가 높은 Ti 층 (15) 이 얇게 형성되므로, 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 기판 (11) 에 생기는 열응력이 작아져, 크랙의 발생을 억제할 수 있다.
또, 회로층 (12) 과 Ti 층 (15) 사이에 Cu 와 Ti 로 이루어지는 제 1 금속간 화합물층 (16) 이 형성되어 있으므로, 회로층 (12) 의 Cu 와 Ti 층 (15) 의 Ti 가 충분히 서로 확산하고 있어, 회로층 (12) 과 Ti 층 (15) 이 양호하게 접합되어 있다.
또, 제 1 금속간 화합물층 (16) 의 두께는, 0.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하로 되어 있다. 이 때문에, 회로층 (12) 의 Cu 와 Ti 층 (15) 의 Ti 가 충분히 서로 확산하고 있으므로, 접합 강도를 충분히 확보할 수 있다. 거기에 추가로, 단단한 제 1 금속간 화합물층 (16) 이 얇게 형성되어 있으므로, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 세라믹스 기판 (11) 에 발생하는 열응력을 저감해, 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (10), 파워 모듈 (1) 에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면인 제 1 면에 Cu 판 (22) 으로 이루어지는 회로층 (12) 이 형성되어 있으므로, 반도체 소자 (3) 로부터의 열을 확장시켜 세라믹스 기판 (11) 측으로 방산할 수 있다. 또, Cu 판 (22) 은 비교적 변형 저항이 크기 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 회로층 (12) 의 변형이 억제된다. 그 결과, 반도체 소자 (3) 와 회로층 (12) 을 접합하는 접합층 (2) 의 변형을 억제할 수 있고, 반도체 소자 (3) 와 회로층 (12) 의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또, 본 실시형태의 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 사이에, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 와 Ti 박 (25) 을 개재시킨 상태에서 가열 처리를 실시한다. 이 때문에, 가열 시에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 가 용융된 액상에 Ti 가 용해되어, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 의 액상과 세라믹스 기판 (11) 의 젖음성이 양호해진다.
또, 가열 처리 공정 S02 에 있어서, 가열 온도가 600 ℃ 이상인 경우, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 의 접합 계면에 있어서, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 를 확실하게 용융시킬 수 있다. 이것과 함께, Ti 박 (25) 과 Cu 판 (22) 을 충분히 고상 확산 접합할 수 있기 때문에, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 을 확실하게 접합 가능해진다. 또, 가열 온도가 650 ℃ 이하인 경우, 세라믹스 기판 (11) 이 열열화하는 것을 억제할 수 있음과 함께, 세라믹스 기판 (11) 에 생기는 열응력을 저감할 수 있다. 이와 같은 이유이기 때문에, 본 실시형태에서는, 가열 온도는, 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
또, 가열 처리 공정 S02 에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 등에 가해지는 압력이 1 kgf/㎠ (0.10 ㎫) 이상인 경우, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 의 액상을 밀착시킬 수 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu-Sn 층 (14) 을 양호하게 접합할 수 있다. 또한, 가해지는 압력이 1 kgf/㎠ 이상인 경우, Ti 박 (25) 과 Cu 판 (22) 사이에 간극이 생기는 것을 억제하고 고상 확산 접합할 수 있다. 또, 가해지는 압력이 35 kgf/㎠ (3.43 ㎫) 이하인 경우, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이와 같은 이유이기 때문에, 본 실시형태에서는, 가해지는 압력은 1 kgf/㎠ 이상 35 kgf/㎠ 이하 (0.10 ㎫ 이상 3.43 ㎫ 이하) 의 범위 내로 설정되어 있다.
가열 처리 공정 S02 에 있어서, 가열 시간이 30 분 이상인 경우, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 의 접합 계면에 있어서, 용융된 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 에 포함되는 P 와, Ti 박에 포함되는 Ti 가 결합하는 시간이 충분히 확보되므로, 세라믹스 기판 (11) 측에 Cu-Sn 층을 확실하게 형성 가능해진다. 또, 가열 시간이 30 분 이상인 경우, Ti 박 (25) 과 Cu 판 (22) 을 충분히 고상 확산 접합할 수 있기 때문에, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 을 확실하게 접합 가능해진다. 또, 가열 시간이 360 분을 초과하여도, 가열 시간이 360 분인 경우 이상으로 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합성이 향상되지 않는다. 또, 가열 시간이 360 분을 초과하면 생산성이 저하된다. 이와 같은 이유이기 때문에, 본 실시형태에서는, 가열 시간은, 30 분 이상 360 분 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 납재의 융점이 580 ℃ 인 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 를 사용하고 있으므로, 저온에서 납재의 액상을 형성할 수 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서, Cu-P-Sn-Ni 납재의 고상선 온도를 융점으로서 사용하고 있다.
상기 서술한 바와 같이, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 가 세라믹스 기판 (11) 과 양호하게 접합됨과 함께, Ti 박 (25) 과 Cu 판 (22) 이 고상 확산에 의해 접합된다. 이 결과, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 을 양호하게 접합할 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
(제 2 실시형태)
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해 설명한다. 또한, 제 1 실시형태와 동일한 구성에 대해서는, 동일한 부호를 붙여 기재하고, 상세한 설명을 생략한다.
도 6 에, 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (110) 을 구비한 파워 모듈 (101) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (101) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 상에 회로층 (112) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (110) 과, 회로층 (112) 의 일방의 면 (도 6 에 있어서 상면) 에 접합층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 파워 모듈용 기판 (110) 의 타방측 (도 6 에 있어서 하측) 에 배치된 히트싱크 (130) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (110) 은, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면인 제 1 면 (도 7 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (112) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면인 제 2 면 (도 7 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (113) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 방열성이 우수한 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다.
회로층 (112) 은, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 재로서 Ti 박 (25), 무산소구리로 이루어지는 Cu 판 (122) 을 순서대로 적층한 상태에서, 이들을 가열 처리해 Cu 판 (122) 을 접합함으로써 형성되어 있다 (도 10 참조).
또한, 회로층 (112) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 제 2 실시형태에서는, 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
그리고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (112) 의 접합 계면에는, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 세라믹스 기판 (11) 측에 위치하는 Cu-Sn 층 (제 1 Cu-Sn 층)(14) 과, 회로층 (112) 과 Cu-Sn 층 (14) 사이에 위치하는 Ti 층 (제 1 Ti 층)(15) 이 형성되어 있다. 또, 회로층 (112) 과 Ti 층 (15) 사이에, Cu 와 Ti 로 이루어지는 제 1 금속간 화합물층 (16) 이 형성되고, Cu-Sn 층 (14) 과 Ti 층 (15) 사이에, P 및 Ni 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층 (17) 이 형성되어 있다.
금속층 (113) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면인 제 2 면에, Cu 또는 Cu 합금의 금속판이, Cu-P-Sn 계의 납재를 개재하여 접합됨으로써 형성되어 있다. 제 2 실시형태에 있어서, 금속층 (113) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 재로서 Ti 박 (25), 무산소구리로 이루어지는 Cu 판 (123) 을 적층한 상태에서, 이들을 가열 처리해 Cu 판 (123) 을 접합함으로써 형성되어 있다 (도 10 참조).
이 금속층 (113) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
도 8 에, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (113) 의 접합 계면의 개략도를 나타낸다. 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (113) 의 접합 계면에는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 측에 위치하는 Cu-Sn 층 (제 2 Cu-Sn 층)(114) 과, 금속층 (113) 과 Cu-Sn 층 (114) 사이에 위치하는 Ti 층 (제 2 Ti 층)(115) 이 형성되어 있다. 그리고, 금속층 (113) 과 Ti 층 (115) 사이에, Cu 와 Ti 로 이루어지는 제 1 금속간 화합물층 (제 3 금속간 화합물층)(116) 이 형성되어 있다. 또, Cu-Sn 층 (114) 과 Ti 층 (115) 사이에, P 및 Ni 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층 (제 4 금속간 화합물층)(117) 이 형성되어 있다. 이 제 2 금속간 화합물층 (117) 은, Cu-Sn 층 (114) 측으로부터 순서대로 형성된, P-Ni-Ti 층 (117a) 과, P-Ti 층 (117b) 과, Cu-Ni-Ti 층 (117c) 을 갖고 있다.
즉, Cu-Sn 층 (제 2 Cu-Sn 층)(114) 은 Cu-Sn 층 (제 1 Cu-Sn 층)(14) 과, Ti 층 (제 2 Ti 층)(115) 은 Ti 층 (제 1 Ti 층)(15) 과, 제 1 금속간 화합물층 (제 3 금속간 화합물층)(116) 은 제 1 금속간 화합물층 (16) 과, 제 2 금속간 화합물층 (제 4 금속간 화합물층)(117) 은 제 2 금속간 화합물층 (17) 과 실질적으로 동일한 구조를 갖는다. 그리고, 이 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (113) 의 접합 계면은, 상기 서술한 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (112) 의 접합 계면과 동일한 구조로 되어 있다.
히트싱크 (130) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (110) 으로부터의 열을 방산하기 위한 것이다. 이 히트싱크 (130) 는, Cu 또는 Cu 합금으로 구성되어 있고, 본 실시형태에서는 무산소구리로 구성되어 있다. 이 히트싱크 (130) 에는, 냉각용 유체가 흐르기 위한 유로 (131) 가 형성되어 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서는, 히트싱크 (130) 와 금속층 (113) 이, 땜납재로 이루어지는 땜납층 (132) 에 의해 접합되어 있다.
다음으로, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈 (101) 의 제조 방법에 대해, 도 9 의 플로우도 및 도 10 을 참조해 설명한다.
먼저, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 (도 10에 있어서 상면) 에, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 박 (25), 및 회로층 (112) 이 되는 Cu 판 (122) 을 순서대로 적층한다 (제 1 적층 공정 S11). 그것과 함께, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면 (도 10 에 있어서 하면) 에도, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 박 (25), 및 금속층 (113) 이 되는 Cu (123) 판을 순서대로 적층한다 (제 2 적층 공정 S12). 즉, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (122, 123) 사이에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 측에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 를 배치하고, Cu 판 (122, 123) 측에 Ti 박 (25) 을 배치하고 있다. 또한, Ti 박 (25) 의 두께는, 6 ㎛ 이상 25 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있고, 본 실시형태에서는 두께 8 ㎛ 의 Ti 박 (25) 을 사용하고 있다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11), Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 박 (25), 및 Cu 판 (122, 123) 을 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠ (0.10 ∼ 3.43 ㎫)) 한 상태에서, 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다 (가열 처리 공정 S13). 여기서, 제 2 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력을 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도를 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간을 30 분 이상 360 분 이하의 범위로 설정되어 있다.
이 가열 처리 공정 S13 에 있어서는, Ti 박 (25) 과 Cu 판 (122, 123) 이 고상 확산에 의해 접합된다. 그것과 함께, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상이 응고됨으로써, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 를 개재하여, 세라믹스 기판 (11) 과 Ti 박 (25) 이 접합된다.
이로써, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 회로층 (112) 이 형성됨과 함께, 제 2 면에 금속층 (113) 이 형성되어, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 이 제조된다.
이어서, 파워 모듈용 기판 (110) 의 금속층 (113) 의 하면에, 땜납재를 개재하여 히트싱크 (130) 를 접합한다 (히트싱크 접합 공정 S14).
다음으로, 파워 모듈용 기판 (110) 의 회로층 (112) 의 상면에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S15).
이와 같이 하여, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈 (101) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (110) 에 있어서는, 제 1 실시형태에서 설명한 파워 모듈용 기판 (10) 과 동일한 효과를 발휘한다.
또, 파워 모듈용 기판 (110) 에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면에 Cu 판 (123) 으로 이루어지는 금속층 (113) 이 형성되어 있으므로, 반도체 소자 (3) 로부터의 열을, 금속층 (113) 을 통하여 효율적으로 방산할 수 있다.
그리고, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (113) 의 접합 계면에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (112) 의 접합 계면과 마찬가지로, 세라믹스 기판 (11) 측에, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층 (114) 이 형성되어 있고, 세라믹스 기판 (11) 의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되어 있지 않다. 이 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 세라믹스 기판 (11) 에 생기는 열응력을 저감해, 세라믹스 기판 (11) 에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또, 무른 금속간 화합물층이 세라믹스 기판 (11) 의 근방에 형성되어 있지 않기 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (113) 의 접합률 저하를 억제해, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또, 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (110) 에 있어서, 금속층 (113) 에는, 히트싱크 (130) 가 접합되어 있으므로, 히트싱크 (130) 로부터 열을 효율적으로 방산할 수 있다.
또, 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (110) 의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면인 제 1 면에 회로층 (112) 을, 타방의 면인 제 2 면에 금속층 (113) 을 동시에 접합하므로, 제조 공정을 간략화해, 제조 비용을 저감할 수 있다.
(제 3 실시형태)
다음으로, 본 발명의 제 3 실시형태에 대해 설명한다. 또한, 제 1 실시형태와 동일한 구성인 것에 대해서는, 동일한 부호를 붙여 기재하고, 상세한 설명을 생략한다.
도 11 에, 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (210) 을 구비한 파워 모듈 (201) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (201) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 상에 회로층 (212) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (210) 과, 회로층 (212) 의 일방의 면 (도 11 에 있어서 상면) 에 접합층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 파워 모듈용 기판 (210) 의 타방측 (도 11 에 있어서 하측) 에 접합층 (232) 을 개재하여 접합된 히트싱크 (230) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (210) 은, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면인 제 1 면 (도 12 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (212) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면인 제 2 면 (도 12 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (213) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 방열성이 우수한 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다.
회로층 (212) 은, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 재로서 Ti 박 (25), 무산소구리로 이루어지는 Cu 판 (222) 을 순서대로 적층하고, 이들을 가열 처리해 Cu 판 (222) 을 접합함으로써 형성되어 있다 (도 14 참조).
또한, 회로층 (212) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 제 3 실시형태에서는, 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
그리고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (212) 의 접합 계면에는, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 세라믹스 기판 (11) 측에 위치하는 Cu-Sn 층 (14) 과, 회로층 (212) 과 Cu-Sn 층 (14) 사이에 위치하는 Ti 층 (15) 이 형성되어 있다. 또, 회로층 (212) 과 Ti 층 (15) 사이에, Cu 와 Ti 로 이루어지는 제 1 금속간 화합물층 (16) 이 형성되고, Cu-Sn 층 (14) 과 Ti 층 (15) 사이에 위치하고 P 및 Ni 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층 (17) 이 형성되어 있다.
금속층 (213) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면인 제 2 면에, Al 또는 Al 합금의 금속판이 접합재 (227) 를 개재하여 접합됨으로써 형성되어 있다. 제 3 실시형태에 있어서, 금속층 (213) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면에, 순도 99.99 질량％ 이상의 Al 판 (223) 을 접합함으로써 형성되어 있다 (도 14 참조).
이 금속층 (213) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 1.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
히트싱크 (230) 는, Al 또는 Al 합금으로 구성되어 있고, 본 실시형태에서는 A6063 (Al 합금) 으로 구성되어 있다. 이 히트싱크 (230) 에는, 냉각용 유체가 흐르기 위한 유로 (231) 가 형성되어 있다. 또한, 이 히트싱크 (230) 와 금속층 (213) 이, Al-Si 계 납재에 의해 접합되어 있다.
다음으로, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈 (201) 의 제조 방법에 대해, 도 13 의 플로우도 및 도 14 를 참조해 설명한다.
먼저, 도 14 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 (도 14에 있어서 상면) 에, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 박 (25), 및 회로층 (212) 이 되는 Cu 판 (222) 을 순서대로 적층한다 (제 1 적층 공정 S21). 그것과 함께, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면 (도 14 에 있어서 하면) 에, 접합재 (227) 를 개재하여 금속층 (213) 이 되는 Al 판 (223) 을 순서대로 적층한다 (제 2 적층 공정 S22). 그리고, 또한 Al 판 (223) 의 하측에, 접합재 (242) 를 개재하여 히트싱크 (230) 를 적층한다 (제 3 적층 공정 S23).
또한, 접합재 (227, 242) 는, 본 실시형태에서는, 융점 강하 원소인 Si 를 함유한 Al-Si 계 납재로 되어 있고, 제 3 실시형태에 있어서는, Al-7.5 mass％ Si 납재를 사용하고 있다.
또, Ti 박 (25) 의 두께는, 6 ㎛ 이상 25 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다. 본 실시형태에서는 두께 12 ㎛ 의 Ti 박을 사용하고 있다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11), Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 박 (25), Cu 판 (222), 접합재 (227), Al 판 (223), 접합재 (242), 및 히트싱크 (230) 를 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠ (0.10 ∼ 3.43 ㎫)) 한 상태에서, 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다 (가열 처리 공정 S24). 여기서, 제 3 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력을 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도를 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간을 30 분 이상 360 분 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
이 가열 처리 공정 S24 에 있어서는, Ti 박 (25) 과 Cu 판 (222) 이 고상 확산에 의해 접합된다. 그것과 함께, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상이 응고됨으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 Ti 박 (25) 이 접합된다. 또, 가열 처리 공정 S24 에 있어서는, 접합재 (227) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상이 응고됨으로써, 접합재 (227) 를 개재하여 세라믹스 기판 (11) 과 Al 판 (223) 이 접합된다. 또한, 가열 처리 공정 S24 에 있어서는, 접합재 (242) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상이 응고됨으로써, 접합재 (242) 를 개재하여 Al 판 (223) 과 히트싱크 (230) 가 접합된다.
이로써, 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 이 제조된다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (210) 의 회로층 (212) 의 상면에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S25).
이와 같이 하여, 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈 (201) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (210) 에 있어서는, 제 1 실시형태에서 설명한 파워 모듈용 기판 (10) 과 동일한 효과를 발휘한다.
또, 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (210) 에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면에 Al 판 (223) 이 접합되어 이루어지는 금속층 (213) 이 형성되어 있으므로, 반도체 소자 (3) 로부터의 열을, 금속층 (213) 을 통하여 효율적으로 방산할 수 있다. 또, Al 은 비교적 변형 저항이 낮기 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 파워 모듈용 기판 (210) 과 히트싱크 (230) 사이에서 생기는 열응력을 금속층 (213) 에 의해 흡수할 수 있다. 그 결과, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또, 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (210) 의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 회로층 (212) 을, 제 2 면에 금속층 (213) 을 동시에 접합함과 함께, 히트싱크 (230) 도 금속층 (213) 에 동시에 접합되므로, 제조 공정을 간략화해, 제조 비용을 저감할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
또한, 제 2 실시형태 및 제 3 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판의 제 1 면에 회로층을, 제 2 면에 금속층을 동시에 접합하는 경우에 대해 설명했지만, 회로층과 금속층을 따로따로 접합해도 된다.
또, 제 3 실시형태에 있어서, 회로층, 금속층, 및 히트싱크를 동시에 접합하는 경우에 대해 설명했지만, 회로층과 금속층을 세라믹스 기판에 접합한 후에, 금속층과 히트싱크를 접합하는 구성으로 해도 된다.
또, 제 3 실시형태에 있어서, 세라믹스 기판의 제 2 면에 Al-Si 계 납재를 개재하여 금속층을 접합하는 경우에 대해 설명했지만, 과도 액상 접합법 (TLP) 이나 Ag 페이스트 등에 의해 접합해도 된다.
또, 제 2 실시형태 및 제 3 실시형태에서는, 유로가 형성된 히트싱크를 사용하는 경우에 대해 설명했지만, 방열판이라 불리는 판상의 것이나, 핀상 핀을 갖는 히트싱크를 사용해도 된다. 또, 파워 모듈용 기판과 히트싱크를 땜납재 또는 납재로 접합하는 경우에 대해 설명했지만, 파워 모듈용 기판과 히트싱크 사이에 그리스를 도포하고 나사 고정 등에 의해 이들을 고정해도 된다. 또, 제 2 실시형태 및 제 3 실시형태의 파워 모듈용 기판에 있어서, 파워 모듈용 기판의 타방의 면측 (세라믹스 기판의 제 2 면측) 에 히트싱크가 접합되어 있지 않아도 된다.
또한, 상기 실시형태에서는, Ti 재로서 Ti 박을 사용하는 경우에 대해 설명했지만, Cu 부재의 일방의 면에 Ti 를 배치 형성한 Cu 부재/Ti 클래드재를 사용할 수도 있다. 또, Cu 부재에 증착 등에 의해 Ti 를 배치 형성해, 사용할 수도 있다.
또한, Ti 재의 일방의 면에 Cu-P-Sn 계 납재를 배치 형성한 Ti 재/납재 클래드재나, Cu 부재, Ti 재, Cu-P-Sn 계 납재의 순서로 적층된 Cu 부재/Ti 재/납재 클래드를 사용할 수 있다.
또, 상기 실시형태에서는 Ti 재로서 Ti 박을 사용하는 경우를 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, Ti 재로서 수소화 Ti 를 사용할 수 있다.
실시예
(실시예 1)
이하에, 본 발명에 관련된 실시형태의 효과를 확인하기 위하여 실시한 확인 실험 (실시예 1) 의 결과에 대해 설명한다.
표 1 에 기재된 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜) 의 제 1 면에, 표 1 에 나타내는 두께를 갖는 Cu-P-Sn 계 납재 박 (37 ㎜ × 37 ㎜), 표 1 에 나타내는 두께를 갖는 Ti 박 (37 ㎜ × 37 ㎜), 무산소구리로 이루어지는 Cu 판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.3 ㎜) 을 순서대로 적층하였다. 또한, 세라믹스 기판의 재질이 AlN 인 경우에는 두께 0.635 ㎜ 로 하고, 재질이 Si3N4 인 경우에는, 0.32 ㎜ 로 하였다.
그리고, 적층된 세라믹스 기판, Cu-P-Sn 계 납재, Ti 박, Cu 판을 적층 방향으로 압력 15 kgf/㎠ (1.47 ㎫) 로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하고, 가열함으로써, 세라믹스 기판의 제 1 면에 Cu 판을 접합해, 회로층을 형성하였다. 여기서, 진공 가열로 내의 압력을 10-6 Pa 이상, 10-3 Pa 이하의 범위 내로 설정하고, 가열 온도 및 가열 시간을, 표 1 의 조건으로 설정하였다. 이와 같이 하여 본 발명예 1-1 ∼ 1-13 의 파워 모듈용 기판을 얻었다.
또, 비교예 1 의 파워 모듈용 기판을, 다음과 같이 해 얻었다. AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜ × 두께 0.635 ㎜) 의 제 1 면에, 표 1 에 나타내는 두께를 갖는 Cu-P-Sn 계 납재 박 (37 ㎜ × 37 ㎜), 무산소구리로 이루어지는 Cu 판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.3 ㎜) 을 순서대로 적층하였다. 그리고, 적층된 세라믹스 기판, Cu-P-Sn 계 납재, Cu 판을 적층 방향으로 압력 15 kgf/㎠ (1.47 ㎫) 로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하고, 가열함으로써, 세라믹스 기판의 제 1 면에 Cu 판을 접합해, 회로층을 형성하였다.
즉, 비교예 1 의 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합할 때에, Ti 박을 개재시키지 않고 접합이 실시되었다.
상기 서술한 바와 같이 해 얻어진 파워 모듈용 기판에 대해, 회로층과 세라믹스 기판의 초기 접합률을 평가하였다. 접합률의 평가 방법을 이하에 설명한다.
또, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 계면에 있어서의, Ti 층 및 제 1 금속간 화합물층의 두께를 측정하였다. 이 Ti 층 및 제 1 금속간 화합물층의 두께의 측정 방법도 이하에 나타낸다.
(접합률 평가)
파워 모듈용 기판에 대해, 세라믹스 기판과 회로층의 계면의 접합률에 대해 초음파 탐상 장치 (히타치 파워 솔루션즈사 제조 FineSAT200) 를 이용하여 평가하고, 이하의 식으로부터 산출하였다.
여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적이고, 본 실시예에서는 회로층의 면적 (37 ㎜ × 37 ㎜) 으로 하였다. 초음파 탐상 이미지를 2 치화 처리한 화상에 있어서 박리는 접합부 내의 백색부로 나타내는 것으로부터, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 하였다.
(접합률 (％)) = {(초기 접합 면적) - (박리 면적)}/(초기 접합 면적) × 100
(Ti 층 및 제 1 금속간 화합물층의 두께 측정 방법)
Ti 층 및 제 1 금속간 화합물층의 두께를, 이하의 방법으로 구하였다. 구리판/Ti 층 계면 (적층 방향에 평행한 단면) 의 EPMA (전자선 마이크로 애널라이저, 닛폰 전자사 제조 JXA-8530F) 에 의한 반사 전자 이미지를 얻었다. 배율 3000 배의 시야 (세로 (적층 방향의 치수) 30 ㎛, 가로 40 ㎛) 에 있어서, 접합 계면에 형성된 Ti 층의 면적 및 제 1 금속간 화합물층 (Cu4Ti, Cu3Ti2, Cu4Ti3, CuTi, CuTi2) 의 총면적을 측정하였다. Ti 층의 면적 및 제 1 금속간 화합물층의 총면적을 측정 시야의 폭의 치수 (40 ㎛) 로 나누고, 그 시야에 있어서의 Ti 층의 두께 및 제 1 금속간 화합물층의 두께를 구하였다. 5 시야에 있어서 구한 Ti 층의 두께 및 제 1 금속간 화합물층의 두께의 평균을, Ti 층 및 제 1 금속간 화합물층의 두께로 하였다.
이상의 평가 결과를 표 1 에 나타낸다.
Figure 112016017443246-pct00001
표 1 에 나타내는 바와 같이, 본 발명예 1-1 ∼ 1-13 에 대해서는, Cu-P-Sn 계 납재 및 Ti 박을 개재시켜 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합했기 때문에, 세라믹스 기판과 회로층의 초기 접합률이 높고, 양호하게 접합되어 있는 것이 확인되었다.
한편, 비교예 1 은, 세라믹스 기판과 Cu 판의 접합 시에, Ti 박을 개재시키지 않고 접합이 실시되었기 때문에, 세라믹스 기판과 Cu 판 (회로층) 을 접합할 수 없었다.
(실시예 2)
다음으로, 본 발명에 관련된 실시형태의 효과를 확인하기 위하여 실시한 확인 실험 (실시예 2) 의 결과에 대해 설명한다.
표 2 에 기재된 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜) 의 제 1 면 및 제 2 면에, 표 2 에 나타내는 두께를 갖는 Cu-P-Sn 계 납재 박 (37 ㎜ × 37 ㎜), 표 2 에 나타내는 두께를 갖는 Ti 박 (37 ㎜ × 37 ㎜), 무산소구리로 이루어지는 Cu 판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.3 ㎜) 을 순서대로 적층하였다. 또한, 세라믹스 기판의 재질이 AlN 인 경우에는 두께 0.635 ㎜ 로 하고, 재질이 Si3N4 인 경우에는, 0.32 ㎜ 로 하였다.
적층된 세라믹스 기판, Cu-P-Sn 계 납재, Ti 박, Cu 판을, 적층 방향으로 압력 15 kgf/㎠ (1.47 ㎫) 로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하고, 가열함으로써, 세라믹스 기판의 제 1 면 및 제 2 면에 Cu 판을 접합해, 회로층 및 금속층을 형성하였다. 여기서, 진공 가열로 내의 압력을 10-6 Pa 이상, 10-3 Pa 이하의 범위 내로 설정하고, 가열 온도 및 가열 시간을 표 2 에 나타내는 조건으로 하였다. 이와 같이 하여 본 발명예 2-1 ∼ 2-13 의 파워 모듈용 기판을 얻었다.
또, 비교예 2 의 파워 모듈용 기판을, Ti 박을 개재시키지 않고, 세라믹스 기판과 회로층을 접합한 것을 제외하고, 본 발명예 2-1 ∼ 2-13 의 파워 모듈용 기판과 동일한 방법으로 얻었다.
상기 서술한 바와 같이 해 얻어진 파워 모듈용 기판에 대해, 회로층과 세라믹스 기판의 초기 접합률, 및 냉열 사이클 시험 후의 접합률을 측정하였다. 또한, 냉열 사이클 시험에 있어서, 파워 모듈용 기판의 세라믹스 기판에 균열이 발생할 때까지의 횟수를 측정함과 함께, 냉열 사이클 시험 후의 접합률을 평가하였다. 또, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 계면에 있어서의, Ti 층 및 제 1 금속간 화합물층의 두께를 측정하였다.
접합률의 평가, Ti 층 및 제 1 금속간 화합물층의 두께의 측정을, 실시예 1 과 마찬가지로 해 실시하였다. 또, 냉열 사이클 시험은 하기와 같이 실시하였다.
(냉열 사이클 시험)
냉열 사이클 시험은, 냉열 충격 시험기 에스펙사 제조 TSB-51 을 사용하고, 파워 모듈용 기판에 대해, 액상 (플루오리너트) 에서, -40 ℃ 에서 5 분 및 150 ℃ 에서 5 분의 사이클을 1 사이클로 하고, 2000 사이클을 실시하였다. 또한, 냉열 사이클 시험을 2000 사이클 실시한 후에도 세라믹스 기판에 균열이 발생하지 않은 파워 모듈용 기판에 대해서는, 표 2 에 있어서 「＞2000」이라고 기재하였다.
이상의 평가 결과를 표 2 에 나타낸다.
Figure 112016017443246-pct00002
표 2 에 나타내는 바와 같이, 본 발명예 2-1 ∼ 2-13 에 대해서는, Cu-P-Sn 계 납재 및 Ti 박을 개재시켜 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합하였다. 이 때문에, 세라믹스 기판과 회로층의 초기 접합률이 높고, 양호하게 접합되어 있는 것이 확인되었다. 또, 본 발명예 2-1 ∼ 2-13 은, 냉열 사이클 시험 후의 접합률도 높아, 접합 신뢰성이 높은 것이 확인되었다. 또한, 본 발명예 2-1 ∼ 2-13 은, 냉열 사이클 시험에 있어서, 세라믹스 기판에 균열이 발생할 때까지의 사이클 횟수가 많아, 세라믹스 기판에 균열이 잘 발생하지 않는 것도 확인되었다.
한편, 비교예 2 는, 세라믹스 기판과 Cu 판의 접합 시에, Ti 박을 개재시키지 않고 접합이 실시되었기 때문에, 세라믹스 기판과 Cu 판 (회로층) 을 접합할 수 없었다.
(실시예 3)
다음으로, 본 발명에 관련된 실시형태의 효과를 확인하기 위하여 실시한 확인 실험 (실시예 3) 의 결과에 대해 설명한다.
표 3 에 기재된 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜) 의 제 1 면에, 표 3 에 나타내는 두께를 갖는 Cu-P-Sn 계 납재 박 (37 ㎜ × 37 ㎜), 표 3 에 나타내는 두께를 갖는 Ti 박 (37 ㎜ × 37 ㎜), 무산소구리로 이루어지는 Cu 판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.3 ㎜) 을 순서대로 적층하였다. 또한, 세라믹스 기판의 재질이 AlN 인 경우에는 두께 0.635 ㎜ 로 하고, 재질이 Si3N4 인 경우에는, 0.32 ㎜ 로 하였다. 또, 세라믹스 기판의 제 2 면에, Al-Si 계 납재 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.02 ㎜) 를 개재하여 순도 99.99 ％ 의 Al 로 이루어지는 Al 판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 1.6 ㎜) 을 적층하였다.
그리고, 적층된 세라믹스 기판, Cu-P-Sn 계 납재, Ti 박, Cu 판, Al-Si 계 납재, 및 Al 판을, 적층 방향으로 압력 15 kgf/㎠ (1.47 ㎫) 로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하고, 가열함으로써 세라믹스 기판의 제 1 면에 Cu 판을 접합해 회로층을 형성하고, 제 2 면에 Al 판을 접합해 금속층을 형성하였다. 여기서, 진공 가열로 내의 압력을 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하의 범위 내로 설정하고, 가열 온도 및 가열 시간을 표 3 에 나타내는 조건으로 하였다. 이와 같이 하여 본 발명예 3-1 ∼ 3-13 의 파워 모듈용 기판을 얻었다.
또, 비교예 3 의 파워 모듈용 기판을, Ti 박을 개재시키지 않고, 세라믹스 기판과 회로층을 접합한 것을 제외하고, 본 발명예 3-1 ∼ 3-13 의 파워 모듈용 기판과 동일하게 하여 얻었다.
상기 서술한 바와 같이 해 얻어진 파워 모듈용 기판에 대해, 회로층과 세라믹스 기판의 초기 접합률, 및 냉열 사이클 시험 후의 접합률을 평가하였다. 또, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 계면에 있어서의, Ti 층 및 제 1 금속간 화합물층의 두께를 측정하였다.
접합률의 평가, 냉열 사이클 시험 및 Ti 층과 제 1 금속간 화합물층의 두께 측정은, 실시예 2 와 동일하게 해 실시하였다.
이상의 평가 결과를 표 3 에 나타낸다.
Figure 112016017443246-pct00003
표 3 에 나타내는 바와 같이, 본 발명예 3-1 ∼ 3-13 에 대해서는, Cu-P-Sn 계 납재 및 Ti 박을 개재시켜 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합하였다. 이 때문에, 세라믹스 기판과 회로층의 초기 접합률이 높고, 양호하게 접합되어 있는 것이 확인되었다. 또, 본 발명예 3-1 ∼ 3-13 은, 냉열 사이클 시험 후의 접합률도 높아, 접합 신뢰성이 높은 것이 확인되었다. 또한, 본 발명예 3-1 ∼ 3-13 은, 냉열 사이클 시험에 있어서, 세라믹스 기판에 균열이 발생할 때까지의 사이클 횟수가 많아, 세라믹스 기판에 균열이 잘 발생하지 않는 것도 확인되었다.
한편, 비교예 3 은, 세라믹스 기판과 Cu 판의 접합 시에, Ti 박을 개재시키지 않고 접합이 실시되었기 때문에, 세라믹스 기판과 Cu 판 (회로층) 을 접합할 수 없었다.
산업상 이용가능성
본 발명에 관련된 접합체 및 파워 모듈용 기판에 의하면, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 세라믹스 부재에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있음과 함께, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 그 때문에, 본 발명에 관련된 접합체 및 파워 모듈용 기판은, 풍력 발전, 전기 자동차 등의 전기 차량 등을 제어하기 위해서 사용되는 대전력 제어용 파워 반도체 소자와 같은, 사용 환경이 혹독한 파워 모듈에도 바람직하다.
10, 110, 210 : 파워 모듈용 기판 (접합체)
11 : 세라믹스 기판 (세라믹스 부재)
12, 112, 212 : 회로층
13, 113, 213 : 금속층
14 : Cu-Sn 층 (제 1 Cu-Sn 층)
114 : Cu-Sn 층 (제 2 Cu-Sn 층)
15 : Ti 층 (제 1 Ti 층)
115 : Ti 층 (제 2 Ti 층)
16 : 제 1 금속간 화합물층
17 : 제 2 금속간 화합물층
116 : 제 1 금속간 화합물층 (제 3 금속간 화합물층)
117 : 제 2 금속간 화합물층 (제 4 금속간 화합물층)
22, 122, 123, 222 : Cu 판 (Cu 부재)

Claims (8)

  1. 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재가 Cu-P-Sn 계 납재 및 Ti 재를 개재하여 접합된 접합체로서,
    상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재의 접합 계면에는,
    상기 세라믹스 부재측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과,
    상기 Cu 부재와 상기 Cu-Sn 층 사이에 위치한 Ti 층이 형성되고,
    상기 Cu 부재와 상기 Ti 층 사이에, Cu 와 Ti 로 이루어지는 제 1 금속간 화합물층이 형성되고,
    상기 Cu-Sn 층과 상기 Ti 층 사이에, P 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층이 형성되어 있는, 접합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 금속간 화합물층의 두께는, 0.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하로 되어 있는, 접합체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 Ti 층의 두께가 1 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인, 접합체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 접합체로 이루어지고,
    상기 세라믹스 부재로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 제 1 면에 Cu-P-Sn 계 납재 및 Ti 재를 개재하여 상기 Cu 부재로 이루어지는 Cu 판이 접합되어 이루어지는 회로층을 구비하고,
    상기 세라믹스 기판과 상기 회로층의 접합 계면에는,
    상기 세라믹스 기판측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과,
    상기 회로층과 상기 Cu-Sn 층 사이에 위치한 Ti 층이 형성되고,
    상기 회로층과 상기 Ti 층 사이에, Cu 와 Ti 로 이루어지는 제 1 금속간 화합물층이 형성되고,
    상기 Cu-Sn 층과 상기 Ti 층 사이에, P 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층이 형성되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판의 제 2 면에 금속층이 형성되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속층은,
    상기 세라믹스 기판의 제 2 면에, Cu-P-Sn 계 납재 및 Ti 재를 개재하여 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 판이 접합되어 이루어지고,
    상기 세라믹스 기판과 상기 금속층의 접합 계면에는,
    상기 세라믹스 기판측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과,
    상기 금속층과 상기 Cu-Sn 층 사이에 위치한 Ti 층이 형성되고,
    상기 금속층과 상기 Ti 층 사이에, Cu 와 Ti 로 이루어지는 제 1 금속간 화합물층이 형성되고,
    상기 Cu-Sn 층과 상기 Ti 층 사이에, P 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층이 형성되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속층은, Al 또는 Al 합금으로 이루어지는, 파워 모듈용 기판.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 Ti 층의 두께가 1 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인, 파워 모듈용 기판.
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