KR102330134B1

KR102330134B1 - 접합체의 제조 방법, 파워 모듈용 기판의 제조 방법

Info

Publication number: KR102330134B1
Application number: KR1020167028410A
Authority: KR
Inventors: 노부유키 데라사키; 요시유키 나가토모
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2015-04-16
Publication date: 2021-11-22
Also published as: TW201605766A; EP3135653A1; TWI642645B; KR20160148529A; JP6256176B2; EP3135653A4; US10370303B2; JP2015209356A; WO2015163232A1; US20170044072A1; CN106103386A; EP3135653B1

Abstract

본 발명의 접합체의 제조 방법은, 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재가 접합되어 이루어지는 접합체의 제조 방법으로서, Cu 및 그 Cu 와 공정 반응하는 공정 원소를 함유하는 브레이징재와, 활성 금속재를 개재하여, 상기 세라믹스 부재의 일면측에 상기 Cu 부재를 적층하는 적층 공정과, 적층된 상기 세라믹스 부재 및 상기 Cu 부재를 가열 처리하는 가열 처리 공정을 구비하고 있다.

Description

접합체의 제조 방법, 파워 모듈용 기판의 제조 방법{PROCESS FOR PRODUCING UNITED OBJECT AND PROCESS FOR PRODUCING SUBSTRATE FOR POWER MODULE}

본 발명은, 세라믹스 부재와 Cu 부재를 강고하게 접합한 접합체의 제조 방법, 및 이 접합체의 제조 방법을 사용하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 관한 것이다.

본원은, 2014년 4월 25일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2014-091955호에 기초하여 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 등, 대 (大) 전력을 제어하기 위하여 사용되는 파워 반도체 소자는, 발열량이 많다. 이 때문에, 이와 같은 파워 반도체 소자를 탑재하는 기판으로는, 예를 들어, Si₃N₄ (질화규소), AlN (질화알루미늄), Al₂O₃ (알루미나) 등, 내열성 및 절연성이 우수한 세라믹스 기판이 사용된다. 그리고, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에, 도전성이 우수한 금속판을 회로층으로서 접합한 파워 모듈용 기판이 종래부터 널리 사용되고 있다. 또, 세라믹스 기판의 타방의 면에도, 다른 금속판을 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 구조를 구비한다. 이 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판의 일방의 면에, Cu-Mg-Ti 브레이징재 (brazing filler material) 를 개재시켜 Cu 판을 배치한 상태로, 가열 처리를 실시함으로써 Cu 판이 접합되어 있다.

일본 특허 공보 제4375730호

특허문헌 1 에 개시되어 있는 바와 같이, Cu-Mg-Ti 브레이징재를 개재하여 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합하여 회로층을 형성하면, 세라믹스 기판과 브레이징재의 접합 계면에는, Cu, Mg 또는 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층이 두껍게 형성된다.

이 세라믹스 기판과 브레이징재의 접합 계면에 형성되는 금속간 화합물층은 단단하기 때문에, 냉열 사이클이 부하된 경우, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 신뢰성이 저하될 우려가 있었다.

본 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 세라믹스 부재와 Cu 부재를 양호하게 접합할 수 있고, 접합 신뢰성이 높은 접합체의 제조 방법, 및 이 접합체의 제조 방법을 사용한 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제 1 양태에 관련된 접합체의 제조 방법은, 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재가 접합되어 이루어지는 접합체의 제조 방법으로서, Cu 및 그 Cu 와 공정 (共晶) 반응하는 공정 원소를 함유하는 브레이징재와, 활성 금속재를 개재하여, 상기 세라믹스 부재의 일면측에 상기 Cu 부재를 적층하는 적층 공정과, 적층된 상기 세라믹스 부재 및 상기 Cu 부재를 가열 처리하는 가열 처리 공정을 구비하고 있다.

이와 같은 접합체의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 부재와 Cu 부재를 접합할 때, Cu 및 그 Cu 와 공정 반응하는 공정 원소를 함유하는 브레이징재와, 활성 금속재를 개재하여 접합함으로써, 낮은 접합 온도에서, 또한 높은 접합 강도로 세라믹스 부재와 Cu 부재를 접합하는 것이 가능해짐과 함께, 접합 신뢰성이 높은 접합체를 얻을 수 있다.

상기 적층 공정에 있어서, 상기 세라믹스 부재측에 상기 브레이징재를 배치하고, 상기 Cu 부재측에 상기 활성 금속재를 배치한다.

이 구성에서는, 상기 가열 공정에 있어서 용융한 브레이징재가 세라믹스 부재와 확실히 접촉하게 되어, 세라믹스 부재와 Cu 부재를 양호하게 접합하는 것이 가능하다.

상기 공정 원소는, Ca, Ge, Sr, Sn, Sb, Ba, La, Ce, Al 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소이다.

이들 공정 원소를 채용함으로써, Cu 에 대하여 공정 반응시키고, 브레이징재의 용융 온도를 크게 저하시키는 것이 가능해진다. 따라서, 낮은 온도에서 세라믹스 부재와 Cu 부재를 접합하는 것이 가능해진다.

상기 적층 공정에서는, 상기 세라믹스 부재의 타면측에, Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 Al 부재를 추가로 적층하고, 상기 가열 처리 공정에서는, 적층된 상기 세라믹스 부재, 상기 Cu 부재 및 상기 Al 부재를 가열 처리한다.

Cu 와, 그 Cu 와 공정 반응하는 원소로 이루어지는 브레이징재를 사용하면, Al 의 융점보다 낮은 온도에서 브레이징재를 용융할 수 있고, 세라믹스 부재의 일방의 면에 Cu 부재를 접합하는 공정과, 타방의 면에 Al 부재를 접합하는 공정을 일 공정으로 실시하는 것이 가능해진다.

상기 세라믹스 부재는, Si₃N₄, AlN, Al₂O₃ 중 어느 것으로 구성된다.

세라믹스 부재로서 Si₃N₄, AlN, Al₂O₃ 을 선택함으로써, 절연성 및 방열성이 우수한 접합체를 제조할 수 있다.

본 발명의 제 2 양태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 세라믹스 기판의 일방의 면에 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 판이 배치 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 세라믹스 기판과 상기 Cu 판을, 상기 각 항에 기재된 접합체의 제조 방법에 의해 접합한다.

본 발명의 제 2 양태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 기판과 Cu 판 사이에, Cu 와, 그 Cu 와 공정 반응하는 공정 원소로 이루어지는 브레이징재와, 활성 금속재를 개재하여 접합함으로써, 낮은 접합 온도에서, 또한 높은 접합 강도로 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합하는 것이 가능해짐과 함께 접합 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판을 얻을 수 있다.

또한, 세라믹스 기판에 접합된 Cu 판은, 회로층, 혹은 세라믹스 기판에 있어서의 회로층을 접합한 면과는 반대의 면에 형성된 금속층이 된다.

본 발명의 접합체의 제조 방법, 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 부재와 Cu 부재를 양호하게 접합하는 것이 가능해진다.

도 1 은 본 발명의 실시형태에 관련된 접합체의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2 는 본 발명의 실시형태에 관련된 접합체의 제조 방법을 단계적으로 나타낸 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 단계적으로 나타낸 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 단계적으로 나타낸 단면도이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 접합체의 제조 방법, 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 대하여 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 각 실시형태는, 발명의 취지를 보다 잘 이해시키기 위하여 구체적으로 설명하는 것이며, 특별히 지정이 없는 한, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또, 이하의 설명에서 사용하는 도면은, 본 발명의 특징을 알기 쉽게 하기 위하여, 편의상 주요부가 되는 부분을 확대하여 나타내고 있는 경우가 있으며, 각 구성 요소의 치수 비율 등이 실제와 동일하다고는 할 수 없다.

(접합체)

도 1 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 접합체의 제조 방법에 의해 얻어지는 접합체의 일례를 나타내는 단면도이다.

접합체 (10) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 부재 (11) 와, 이 세라믹스 부재 (11) 의 일방의 면 (11a) (도 1 에 있어서 상면) 측에 배치 형성되고, 브레이징재를 개재하여 접합된 Cu 부재 (12) 로 이루어진다.

세라믹스 부재 (11) 는, 절연성 및 방열성이 우수한 Si₃N₄ (질화규소), AlN (질화알루미늄), Al₂O₃ (알루미나) 등의 세라믹스로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 세라믹스 부재 (11) 는, 특히 방열성이 우수한 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 부재 (11) 의 두께는, 예를 들어 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.

Cu 부재 (12) 는, Cu 또는 Cu 합금으로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, Cu 부재는 무산소동으로 구성되고, 두께는, 예를 들어 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.

Cu 부재 (12) 는, 세라믹스 부재 (11) 의 일방의 면 (11a) 에, 브레이징재 및 활성 금속재에 의해 접합되어 있다.

브레이징재는, Cu 와, 이 Cu 와 공정 반응하는 공정 원소로 이루어진다. 브레이징재에 사용되는 공정 원소는, 예를 들어, Cu 와의 공정 반응에 의해 Al 보다 낮은 융점을 갖는 합금을 형성하는 원소에서 선택된다. Cu 와 공정 반응하는 원소로는, Ca, Ge, Sr, Sn, Sb, Ba, La, Ce, Al (이하, 이들 원소는 공정 원소라고 칭한다) 을 들 수 있다. 그리고, 이들 공정 원소 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소가 브레이징재에 함유된다.

브레이징재에 함유되는 공정 원소는 하기 범위 내 (mass％) 로 할 수 있다.

Ca : 32 ％ 이상 78 ％ 이하 (보다 바람직하게는 34 ％ 이상 75 ％ 이하)

Ge : 37 ％ 이상 41 ％ 이하 (보다 바람직하게는 38 ％ 이상 40 ％ 이하)

Sr : 58 ％ 이상 93 ％ 이하 (보다 바람직하게는 62 ％ 이상 90 ％ 이하)

Sn : 56 ％ 이상 90 ％ 이하 (보다 바람직하게는 74 ％ 이상 84 ％ 이하)

Sb : 52 ％ 이상 97 ％ 이하 (보다 바람직하게는 57 ％ 이상 92 ％ 이하)

Ba : 62 ％ 이상 95 ％ 이하 (보다 바람직하게는 68 ％ 이상 91 ％ 이하)

La : 72 ％ 이상 89 ％ 이하 (보다 바람직하게는 74 ％ 이상 87 ％ 이하)

Ce : 73 ％ 이상 93 ％ 이하 (보다 바람직하게는 75 ％ 이상 90 ％ 이하)

Al : 40 ％ 이상 95 ％ 이하 (보다 바람직하게는 50 ％ 이상 85 ％ 이하)

본 실시형태에서는, 브레이징재로서, Cu 25 mass％, Ba 75 mass％ 의 조성의 브레이징재를 사용하고 있다.

이와 같은 브레이징재는, Cu 및 Cu 와 공정 반응하는 공정 원소를 함유하기 때문에, 예를 들어, Al 의 융점보다 낮은 온도에서 용융할 수 있다. 그리고, 낮은 접합 온도에서 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재 (12) 와 세라믹스 부재 (11) 를 강고하게 접합할 수 있다.

즉, Al 의 융점보다 낮은 접합 온도에서 Cu 부재 (12) 와 세라믹스 부재 (11) 를 접합할 수 있다.

활성 금속재는, 예를 들어 Ti, Zr, Nb, Hf 등의 활성 원소 중 어느 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것으로 되어 있다. 본 실시형태에서는, 활성 금속재로서 Ti 를 사용하고 있다.

또한, 세라믹스 부재 (11) 의 타방의 면 (11b) 측에, 추가로 Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 Al 부재가 접합된 구성인 것도 바람직하다. 이러한 Al 부재의 일례로서, 4N-Al 로 이루어지는 Al 부재를 들 수 있다. 세라믹스 부재 (11) 와 Al 부재의 접합은, 예를 들어, Al-Si 계 브레이징재 등을 사용할 수 있다. 이 경우, Al-Si 계 브레이징재에 함유되는 Si 농도는 1 mass％ ∼ 12 mass％ 의 범위로 하는 것이 바람직하지만 이것에 한정되는 것은 아니다.

(접합체의 제조 방법)

도 2 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 접합체의 제조 방법을 단계적으로 나타낸 단면도이다.

예를 들어, 파워 모듈용 기판으로서 사용되는 접합체를 제조할 때에는, 먼저, Si₃N₄ (질화규소), AlN (질화알루미늄), Al₂O₃ (알루미나) 등의 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재 (21) 를 준비한다 (도 2(a) 참조). 본 실시형태에서는, AlN 으로 이루어지고, 두께가 0.635 ㎜ 인 세라믹스 기판을 사용하였다.

다음으로, 세라믹스 부재 (21) 의 일면 (21a) 측에, 브레이징재 (22), 활성 금속재 (23) 및 Cu 부재 (24) 를 순서대로 적층하여, 적층체 (25) 를 형성한다 (도 2(b) 참조 : 적층 공정). 브레이징재 (22) 는, Cu 와, 이 Cu 와 공정 반응하는 공정 원소, 즉, Ca, Ge, Sr, Sn, Sb, Ba, La, Ce, Al 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소로 구성된다.

브레이징재 (22) 는, Cu 분말과 공정 원소 분말을 혼합하고, 적절한 바인더를 개재하여 페이스트상으로 한 것 (브레이징재 페이스트) 을, 세라믹스 부재 (21) 의 일면 (21a) 에 도포함으로써 형성된다.

또, Cu 와 공정 원소의 합금 분말을, 적절한 바인더를 개재하여 페이스트상으로 한 것 (브레이징재 페이스트) 을, 세라믹스 부재 (21) 의 일면 (21a) 에 도포하는 것도 가능하다.

또, Cu 와 공정 원소로 이루어지는 박상의 브레이징재를, 세라믹스 부재 (21) 와 활성 금속재 (23) 사이에 배치하는 것도 가능하다.

본 실시형태에서는, 브레이징재 (22) 로서, Cu 와 Ba 의 질량비가 25 : 75 인 합금 분말을 60 중량부와 아크릴 수지 4 중량부와 용제로서의 텍사놀을 36 중량부를 혼합한 페이스트상의 브레이징재를 세라믹스 부재 (21) 의 일면 (21a) 에 도포하고 있다. 브레이징재 (22) 는, 예를 들어 두께가 5 ∼ 80 ㎛ 정도가 되도록 도포된다.

활성 금속재 (23) 는, 예를 들어 Ti, Zr, Nb, Hf 등의 활성 원소 중 어느 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것으로 되어 있다. 활성 금속재 (23) 는, 박, 분말, 분말에 적절한 바인더를 첨가하여 혼련한 페이스트를 사용하여 형성할 수 있다. 또, 페이스트로서 사용하는 경우에는, 활성 원소의 수소화물 (예를 들어, TiH₂ 나 ZrH₂ 등) 을 사용하는 것도 가능하다. 또한, Cu 부재 (24) 나 세라믹스 부재 (21) 에 증착함으로써 형성하는 것도 가능하다. 활성 금속재 (23) 의 두께는 0.05 ㎛ 이상 25 ㎛ 이하로 되어 있다.

또한, 활성 금속재 (23) 의 두께가 얇은 경우에는 증착을, 비교적 두꺼운 경우에는 박이나 페이스트를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.

본 실시형태에서는, 활성 금속재로서, Ti 를 Cu 부재 (24) 에 증착함으로써 형성되어 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 활성 금속재 (23) 는 도 2 에 나타내는 바와 같이, Cu 부재 (24) 측에 배치하고 있지만, 세라믹스 부재 (21) 측에 배치하는 것도 가능하다. 이 경우, 적층체 (25) 의 적층 순서는, 세라믹스 부재 (21), 활성 금속재 (23), 브레이징재 (22) 및 Cu 부재 (24) 의 순서가 된다.

다음으로, 도 2(c) 에 나타내는 바와 같이, 적층체 (25) 를, 예를 들어 진공 가열 처리로 (H) 에 넣고, 적층체 (25) 를 가압하면서, 브레이징재 (22) 의 용융 온도 (접합 온도) 이상이 될 때까지 가열한다 (가열 처리 공정). 이것에 의해, 브레이징재 (22) 가 용융된다. 그 후, 냉각되면, 도 2(d) 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 부재 (21) 와 Cu 부재 (24) 가 접합된 접합체 (26) 가 얻어진다.

여기서, 본 발명의 실시형태에 있어서의 브레이징재 (22) 에 대하여 더욱 서술한다. Cu 와 공정 반응하는 공정 원소로는, Ca, Ge, Sr, Sn, Sb, Ba, La, Ce, Al 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 브레이징재 (22) 에 함유시킴으로써, Cu 와의 공정 반응에 의해, 브레이징재의 융점을 확실히 낮게 할 수 있다.

일례로서, 공정 원소 중, Ba 를 68 mass％ 이상 92 mass％ 이하의 범위 내에서 Cu 에 첨가함으로써, Cu 만인 경우와 비교하여, 융점을 530 ℃ 로 저하시킬 수 있다.

또, 공정 원소 중, 2 종 이상을 선택함으로써, 브레이징재 (22) 의 융점이 상승하는 것을 억제하고, 또한 브레이징재 (22) 의 유동성이 저하되는 것을 억제하여, 세라믹스 부재 (21) 와 Cu 부재 (24) 의 접합성을 더욱 향상시킬 수 있다.

본 실시형태에 있어서의 가열 처리 공정에서는, 가열 온도는 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로 설정되어 있다. 가열 온도가 600 ℃ 이상인 경우, 세라믹스 부재 (21) 와 Cu 부재 (24) 의 접합 계면에 있어서, 브레이징재 (22) 를 확실히 용융시킬 수 있고, 세라믹스 부재 (21) 와 Cu 부재 (24) 를 확실히 접합 가능해진다.

한편, 가열 온도가 650 ℃ 이하인 경우, 세라믹스 부재 (21) 가 열 열화되는 것을 억제할 수 있음과 함께, 세라믹스 부재 (21) 에 발생하는 열응력을 저감시킬 수 있다.

또, 가열 처리 공정에 있어서는, 적층체 (25) 에 가해지는 압력이 1 kgf/㎠ (0.10 ㎫) 이상인 경우, 세라믹스 부재 (21) 와, 용융한 브레이징재 (22) 의 액상을 밀착시킬 수 있고, 세라믹스 부재 (21) 와 Cu 부재 (24) 를 강고하게 접합할 수 있다. 또, 가해지는 압력이 35 kgf/㎠ (3.43 ㎫) 이하인 경우, 세라믹스 부재 (21) 에 응력에 의한 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이와 같은 이유 때문에, 본 실시형태에서는, 적층체 (25) 에 가해지는 압력은 1 kgf/㎠ 이상 35 kgf/㎠ 이하 (0.10 ㎫ 이상 3.43 ㎫ 이하) 의 범위 내로 설정되어 있다.

또한, 가열 처리 공정에 있어서, 가열 시간이 30 분 이상인 경우, 세라믹스 부재 (21) 와 Cu 부재 (24) 의 접합 계면에 있어서, 용융한 브레이징재 (22) 가 세라믹스 부재 (21) 나 Cu 부재 (24) 의 표층에 들어가, 세라믹스 부재 (21) 와 Cu 부재 (24) 를 확실히 접합할 수 있다. 또한, 가열 시간이 360 분을 초과하면 생산성이 저하된다. 이와 같은 이유 때문에, 본 실시형태에서는, 가열 시간은 30 분 이상 360 분 이하의 범위 내로 설정되어 있다.

(파워 모듈용 기판의 제조 방법)

도 3, 도 4 는, 본 발명의 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 단계적으로 나타낸 단면도이다.

도 3(a) 에 나타내는 바와 같이, 파워 모듈용 기판을 제조할 때에는, 먼저, 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 기판 (31) 을 준비한다. 그리고, 이 세라믹스 기판 (31) 의 일면 (31a) 측에, 브레이징재 (32), 활성 금속재 (33) 및 Cu 판 (34) 을 순서대로 적층한다. 또, 세라믹스 기판 (31) 의 타면 (31b) 측에, 브레이징재 (35) 및 Al 판 (36) 을 순서대로 적층하여, 적층체 (37) 를 형성한다 (적층 공정).

세라믹스 기판 (31) 을 구성하는 세라믹스로는, 예를 들어, Si₃N₄ (질화규소), AlN (질화알루미늄), Al₂O₃ (알루미나) 등을 들 수 있다. 본 실시형태에서는, AlN 으로 이루어지고, 두께가 0.635 ㎜ 인 세라믹스 기판을 사용하였다.

브레이징재 (32) 는, Cu 와, 이 Cu 와 공정 반응하는 공정 원소, 즉, Ca, Ge, Sr, Sn, Sb, Ba, La, Ce, Al 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소로 구성된다.

본 실시형태에서는, 브레이징재 (32) 로서, 상기 서술한 브레이징재 (22) 와 동일한 브레이징재를 사용하였다.

활성 금속재 (33) 는, 예를 들어 Ti, Zr, Nb, Hf 등의 활성 원소 중 어느 1 종 또는 2 종 이상을 함유한다. 활성 금속재 (33) 는, 박, 분말, 분말에 적절한 바인더를 첨가하여 혼련한 페이스트를 사용하여 형성할 수 있다. 또, 페이스트로서 사용하는 경우에는, 활성 원소의 수소화물 (예를 들어, TiH₂ 나 ZrH₂ 등) 을 사용하는 것도 가능하다. 또한, Cu 판 (34) 이나 세라믹스 기판 (31) 에 증착시킴으로써 형성하는 것도 가능하다. 활성 금속재 (33) 의 두께는 0.05 ㎛ 이상 25 ㎛ 이하로 되어 있다.

또한, 활성 금속재 (33) 의 두께가 얇은 경우에는 증착을, 비교적 두꺼운 경우에는 박이나 페이스트를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.

본 실시형태에서는, 활성 금속재가, Ti 를 Cu 판 (34) 에 증착시킴으로서 형성되어 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 활성 금속재 (33) 는 도 3 에 나타내는 바와 같이 Cu 판 (34) 측에 배치하고 있지만, 세라믹스 기판 (31) 측에 배치하는 것도 가능하다. 이 경우, 적층체 (37) 의 적층 순서는, 세라믹스 기판 (31), 활성 금속재 (33), 브레이징재 (32) 및 Cu 판 (34) 의 순서가 된다.

또, 활성 금속재 (33) 는, 브레이징재 (32) 와 일부 또는 전부가 혼합된 상태로, 세라믹스 기판 (31) 과 Cu 판 (34) 사이에 배치하는 것도 가능하다.

Al 판 (36) 은, Al 또는 Al 합금으로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 4N-Al 이 사용되고 있다. 또, 브레이징재 (35) 로는, 세라믹스와 Al 의 접합이 가능하고, 또한 브레이징재 (32) 와 동일 정도가 그것보다 저온에서 용융되는 브레이징재, 예를 들어 Al-Si 계 브레이징재를 사용하고 있다. 이 경우, Al-Si 계 브레이징재에 함유되는 Si 농도는 1 mass％ ∼ 12 mass％ 의 범위로 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 3(b) 에 나타내는 바와 같이, 적층체 (37) 를, 예를 들어 진공 가열 처리로 (H) 에 넣고, 소정의 압력을 가하면서, 브레이징재 (32, 35) 의 용융 온도 (접합 온도) 이상이 될 때까지 가열한다 (가열 처리 공정). 이것에 의해, 브레이징재 (32, 35) 가 용융된다. 그 후, 냉각되면, 도 4(a) 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (31) 의 일면 (31a) 측에 Cu 판 (34) 이, 또 세라믹스 기판 (31) 의 타면 (31b) 측에 Al 판 (36) 이 각각 접합된 파워 모듈용 기판 (39) 이 얻어진다.

이와 같이, 브레이징재 (32) 로서, Cu 와, 이 Cu 와 공정 반응하는 공정 원소를 사용함으로써, Al 의 융점보다 충분히 낮은 온도에서 브레이징재 (32) 를 용융하여, 세라믹스 기판 (31) 과 Cu 판 (34) 을 접합할 수 있다. 이것에 의해, 비교적 융점이 낮은 Al 판 (36) 을 세라믹스 기판 (31) 의 타면 (31b) 측에 접합하는 경우라 하더라도, Cu 판 (34) 과 Al 판 (36) 을, 세라믹스 기판 (31) 에 대하여 1 회의 가열 처리 공정으로 동시에 접합할 수 있다.

도 4(b) 에 나타내는 바와 같이, 파워 모듈용 기판 (39) 을 사용하여, Cu 판 (34) 에 솔더링층 (41) 을 개재하여 반도체 소자 (42) 를 접합함으로써, 파워 모듈 (40) 을 제조할 수 있다. 이 경우, Cu 판 (34) 은, 파워 모듈 (40) 의 배선 패턴을 구성하는 회로층으로서 작용한다. 또, Al 판 (36) 은, 파워 모듈 (40) 의 금속층, 예를 들어, 방열판으로서 작용한다.

또한, 상기 서술한 파워 모듈 (40) 에서는 Cu 판 (34) 을 회로층으로 하고 있지만, Cu 판 (34) 은 반드시 회로층일 필요는 없다. 예를 들어, Cu 판을 파워 모듈의 회로층과는 반대측 면에 접합하여, 금속층으로 하는 것도 가능하다.

또, 파워 모듈 (40) 의 Al 판 (36) (도 4 에 있어서 하측) 에 히트싱크가 배치되고, 히트싱크가 부착된 파워 모듈로서 이용하는 것도 가능하다.

히트싱크는, 파워 모듈 (40) 을 냉각시키기 위한 것이며, 파워 모듈 (40) 과 접합되는 천판부와 냉각 매체 (예를 들어 냉각수) 를 유통하기 위한 유로를 구비하고 있다. 히트싱크는, 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 예를 들어, 무산소동 등의 순동이나 구리 합금 또는 순알루미늄이나 A6063 (알루미늄 합금) 등의 알루미늄 합금으로 구성할 수 있다. 히트싱크 (천판부) 는, 파워 모듈 (40) 의 Al 판 (36) 에, 예를 들어, 솔더링이나 브레이징에 의해 접합된다.

실시예

이하에, 본 발명에 관련된 실시형태의 효과를 확인하기 위하여 실시한 확인 실험 (실시예) 의 결과에 대하여 설명한다.

(실시예 1)

AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜ × 두께 0.635 ㎜) 의 일방의 면에, 표 1 에 기재된 브레이징재, 활성 금속재 (두께 6 ㎛ 의 박), 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.3 ㎜) 을 순서대로 적층하였다.

또, 비교예 1 은, 브레이징재로서, Cu 에 대하여 공정 반응을 일으키지 않는 원소 (Ni) 를 사용하였다. 비교예 2 는, 세라믹스 기판과 Cu 판 사이에 Cu 박을 개재시키는 구성으로 하였다.

그리고, 본 발명예, 비교예의 각각에 대하여, 적층체를 적층 방향으로 압력 15 kgf/㎠ (1.47 ㎫) 로 가압한 상태로 진공 가열로에 투입하고, 가열함으로써 세라믹스 기판의 일방의 면에 Cu 판을 접합하였다. 또한, 진공 가열로 내의 압력은 10^-3 ㎩ 로 설정하고, 가열 온도 및 가열 시간은 표 1 의 조건으로 설정하였다. 이와 같이 하여, 본 발명예 1-1 ∼ 1-42, 비교예 1 ∼ 2 의 접합체를 얻었다.

상기 서술한 바와 같이 하여 얻어진 본 발명예 1-1 ∼ 1-42, 비교예 1 ∼ 2 의 접합체에 대하여, Cu 판과 세라믹스 기판의 초기 접합률을 평가하였다.

접합률 평가는, 접합체에 대하여, 세라믹스 기판과 Cu 판의 계면의 접합률에 대하여 초음파 탐상 장치 (주식회사 히타치 파워솔루션즈 제조 FineSAT200) 를 사용하여 평가하고, 이하의 식으로부터 접합률을 산출하였다.

여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적이며, 본 실시예에서는 Cu 판의 면적 (37 ㎜ × 37 ㎜) 으로 하였다. 초음파 탐상 이미지를 2 치화 처리한 화상에 있어서 박리는 접합부 내의 백색부로 나타나므로, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 하였다.

(접합률 (％)) ＝ {(초기 접합 면적) － (박리 면적)}/(초기 접합 면적) × 100

이상과 같은 확인 실험의 결과를 표 1 에 나타낸다.

표 1 에 나타내는 결과로부터, 본 발명예 1-1 ∼ 1-42 에 대해서는, Cu 와, 이 Cu 와 공정 반응하는 공정 원소를 함유하는 브레이징재를 개재시켜 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합하고 있기 때문에, 세라믹스 기판과 Cu 판의 초기 접합률이 높고, 강고하게 접합되어 있는 것이 확인되었다.

한편, 세라믹스 기판과 Cu 판의 접합시에, Cu 와, 이 Cu 와 공정 합금을 형성하지 않는 원소를 사용하여 접합한 비교예 1 이나 공정 합금을 형성하는 원소를 사용하지 않았던 비교예 2 에서는, 세라믹스 기판과 Cu 판이 접합되지 않았다.

(실시예 2)

표 2 에 기재된 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜ × 두께 0.635 ㎜) 의 일방의 면에, 표 2 에 기재된 브레이징재, 활성 금속재 (두께 1 ㎛ 의 박), 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.3 ㎜) 을 순서대로 적층하였다. 그리고, 세라믹스 기판의 타방의 면에 Al-10 질량％ Si 브레이징재박 (두께 20 ㎛) 을 개재하여 순도 99.99 ％ 이상의 알루미늄판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.6 ㎜) 을 적층하고, 적층체를 제조하였다.

그리고, 적층체를 적층 방향으로 압력 15 kgf/㎠ (1.47 ㎫) 로 가압한 상태로 진공 가열로에 투입하고, 가열함으로써 세라믹스 기판의 일방의 면에 Cu 판을, 타방의 면에 알루미늄판을 접합하였다. 또한, 진공 가열로 내의 압력은 10^-3 ㎩ 로 설정하고, 가열 온도 및 가열 시간은 표 2 의 조건으로 설정하였다. 이와 같이 하여, 본 발명예 2-1 ∼ 2-15 의 파워 모듈용 기판을 얻었다.

얻어진 파워 모듈용 기판에 있어서의 세라믹스 기판과 Cu 판의 초기 접합률 및 냉열 사이클 시험 후의 접합률을 평가하였다. 냉열 사이클 시험은, 냉열 충격 시험기 (에스펙크 주식회사 제조 TSB-51) 를 사용하고, 파워 모듈용 기판에 대하여, 액상 (플루어리너트) 으로, －40 ℃ 에서 5 분과 125 ℃ 에서 5 분의 사이클을 1 사이클로 하여, 3000 사이클을 실시하였다.

접합률은 실시예 1 과 동일한 방법으로 산출하였다.

이상의 결과를 표 2 에 나타낸다.

Cu 와, 이 Cu 와 공정 반응하는 공정 원소를 함유하는 브레이징재를 개재시켜, 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합한 본 발명예 2-1 ∼ 2-15 에 있어서는, 초기 접합률은 높고, 냉열 사이클이 부하된 후에도 높은 접합률을 유지하는 것이 가능한 파워 모듈용 기판이 얻어지는 것이 확인되었다.

산업상 이용가능성

본 발명에 관련된 접합체의 제조 방법, 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 부재와 Cu 부재를 양호하게 접합하는 것이 가능해진다. 그 때문에, 본 발명에 관련된 접합체의 제조 방법, 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 풍력 발전, 전기 자동차 등의 전기 차량 등을 제어하기 위하여 사용되는 대전력 제어용의 파워 반도체 소자 등의, 사용 환경이 엄격한 파워 모듈에 바람직한 접합체 및 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.

10 : 접합체
11 : 세라믹스 부재
12 : Cu 부재
21 : 세라믹스 부재
22 : 브레이징재
23 : 활성 금속재
24 : Cu 부재
26 : 접합체
39 : 파워 모듈용 기판

Claims

세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재가 접합되어 이루어지는 접합체의 제조 방법으로서,
Cu 및 그 Cu 와 공정 반응하는 공정 원소를 함유하는 브레이징재와, 활성 금속재를 개재하여, 상기 세라믹스 부재의 일면측에 상기 Cu 부재를 적층하는 적층 공정과,
적층된 상기 세라믹스 부재 및 상기 Cu 부재를 가열 처리하는 가열 처리 공정을 구비하고 있고,
상기 적층 공정에 있어서, 상기 세라믹스 부재측에 상기 브레이징재를 배치하고, 상기 Cu 부재측에 상기 활성 금속재를 배치하고,
상기 활성 금속재는 Ti, Zr, Nb 및 Hf 의 활성 원소 중 어느 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는, 접합체의 제조 방법.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 공정 원소는, Ca, Ge, Sr, Sn, Sb, Ba, La, Ce, Al 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소인, 접합체의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 적층 공정에서는, 상기 세라믹스 부재의 타면측에, Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 Al 부재를 추가로 적층하고,
상기 가열 처리 공정에서는, 적층된 상기 세라믹스 부재, 상기 Cu 부재 및 상기 Al 부재를 가열 처리하는, 접합체의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 세라믹스 부재는, Si₃N₄, AlN, Al₂O₃ 중 어느 것으로 구성되는, 접합체의 제조 방법.
세라믹스 기판의 일방의 면에 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 판이 배치되어 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
상기 세라믹스 기판과 상기 Cu 판을, 제 1 항 또는 제 3 항에 기재된 접합체의 제조 방법에 의해 접합하는, 파워 모듈용 기판의 제조 방법.