KR102336484B1 - 접합체, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트 싱크, 접합체의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 및 히트 싱크의 제조 방법 - Google Patents

접합체, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트 싱크, 접합체의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 및 히트 싱크의 제조 방법 Download PDF

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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 부재와, 구리, 니켈 또는 은으로 이루어지는 금속 부재가 접합된 접합체로서, 알루미늄 부재는, 고상선 온도가 금속 부재를 구성하는 금속 원소와 알루미늄의 공정 온도 미만으로 된 알루미늄 합금으로 구성되어 있고, 알루미늄 부재와 금속 부재의 접합부에는 Ti 층이 형성되어 있고, 알루미늄 부재와 Ti 층, 및 Ti 층과 금속 부재가, 각각 고상 확산 접합되어 있다.

Description

접합체, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트 싱크, 접합체의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 및 히트 싱크의 제조 방법{ASSEMBLY, POWER-MODULE SUBSTRATE PROVIDED WITH HEAT SINK, HEAT SINK, METHOD FOR MANUFACTURING ASSEMBLY, METHOD FOR MANUFACTURING POWER-MODULE SUBSTRATE PROVIDED WITH HEAT SINK, AND METHOD FOR MANUFACTURING HEAT SINK}
본 발명은, 알루미늄 부재와, 구리, 니켈 또는 은으로 이루어지는 금속 부재가 접합되어 이루어지는 접합체, 절연층의 일방의 면에 회로층이 형성된 파워 모듈용 기판에 히트 싱크가 접합된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트 싱크 본체에 금속 부재층이 형성된 히트 싱크, 접합체의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 및 히트 싱크의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은, 2014년 8월 26일에 일본에 출원된 일본 특허출원 제2014-171900호, 및 2015년 8월 18일에 일본에 출원된 일본 특허출원 제2015-161292호에 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, 하이브리드 자동차 등을 제어하기 위해서 사용되는 대 (大) 전력 제어용 파워 반도체 소자는 발열량이 많다. 그래서, 이와 같은 파워 반도체 소자를 탑재하는 기판으로는, 예를 들어 AlN (질화알루미늄), Al2O3 (알루미나) 등으로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 도전성이 우수한 금속판을 접합시켜 형성한 회로층을 구비한 파워 모듈용 기판이, 종래부터 널리 사용되고 있다. 또, 파워 모듈용 기판으로는, 세라믹스 기판의 타방의 면에 금속층을 형성한 것도 제공되고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에 개시된 파워 모듈은, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에 Al 로 이루어지는 회로층 및 금속층이 형성된 파워 모듈용 기판과, 이 회로층 상에는 솔더재를 개재하여 접합된 반도체 소자를 구비하고 있다.
그리고, 파워 모듈용 기판의 하측에는, 히트 싱크가 접합되어 있고, 반도체 소자로부터 파워 모듈용 기판측으로 전달된 열을, 히트 싱크를 통해 외부로 방산시키는 구성으로 되어 있다.
그런데, 특허문헌 1 에 기재된 파워 모듈과 같이, 회로층 및 금속층을 Al 로 구성한 경우에는, 표면에 Al 의 산화 피막이 형성되기 때문에, 솔더재에 의해 반도체 소자나 히트 싱크를 접합시킬 수 없다.
그래서, 종래, 예를 들어 특허문헌 2 에 개시되어 있는 바와 같이, 회로층 및 금속층의 표면에 무전해 도금 등에 의해 Ni 도금막을 형성한 후에 반도체 소자나 히트 싱크를 솔더 접합시키고 있다.
또, 특허문헌 3 에는, 솔더재의 대체로서, 산화은 입자와 유기물로 이루어지는 환원제를 함유하는 산화은 페이스트를 사용하여 회로층과 반도체 소자, 및 금속층과 히트 싱크를 접합시키는 기술이 제안되어 있다.
그러나, 특허문헌 2 에 기재된 바와 같이, 회로층 표면 및 금속층 표면에 Ni 도금막을 형성한 파워 모듈용 기판에 있어서는, 반도체 소자 및 히트 싱크를 접합시킬 때까지의 과정에서 Ni 도금막의 표면이 산화 등에 의해 열화되고, 솔더재를 개재하여 접합시킨 반도체 소자 및 히트 싱크의 접합 신뢰성이 저하될 우려가 있었다. 또한, Ni 도금 공정에서는, 불필요한 영역에 Ni 도금이 형성되어 전식 (電食) 등의 트러블이 발생하지 않도록, 마스킹 처리를 실시하는 경우가 있다. 이와 같이, 마스킹 처리를 한 후에 도금 처리를 하는 경우, 회로층 표면 및 금속층 표면에 Ni 도금막을 형성하는 공정에 다대한 노력이 필요해져, 파워 모듈의 제조 비용이 대폭 증가한다는 문제가 있었다.
또, 특허문헌 3 에 기재된 바와 같이, 산화은 페이스트를 사용하여 회로층과 반도체 소자, 및 금속층과 히트 싱크를 접합시키는 경우에는, Al 과 산화은 페이스트의 소성체의 접합성이 나쁘기 때문에, 미리 회로층 표면 및 금속층 표면에 Ag 하지층을 형성할 필요가 있었다.
그래서, 특허문헌 4 에는, 회로층 및 금속층을, Al 층과 Cu 층의 적층 구조로 한 파워 모듈이 제안되어 있다. 이 경우, 회로층 및 금속층의 표면에는 Cu 층이 배치되기 때문에, 솔더재를 사용하여 반도체 소자 및 히트 싱크를 양호하게 접합시킬 수 있다. 또한, Cu 는 Al 에 비해서 변형 저항이 크기 때문에, 이 파워 모듈에 히트 사이클이 부하되었을 때에, 회로층 표면 및 금속층 표면이 크게 변형되는 것을 억제할 수 있고, 솔더층에 있어서의 크랙의 발생을 방지하여, 반도체 소자와 회로층 및 히트 싱크와 금속층의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
또, 특허문헌 4 에 기재된 파워 모듈에 있어서는, 회로층 및 금속층으로서, Al 층과 Cu 층이 Ti 층을 개재하여 접합된 접합체가 사용되고 있다. 여기서, Al 층과 Ti 층 사이에는 확산층이 형성되어 있고, 이 확산층은, Al 층측에서부터 차례로 Al-Ti 층, Al-Ti-Si 층, Al-Ti-Cu 층을 갖고 있다.
일본 특허공보 제3171234호 일본 공개특허공보 2004-172378호 일본 공개특허공보 2008-208442호 일본 특허공보 제3012835호
그런데, 특허문헌 4 에 기재된 파워 모듈에 있어서는, 회로층 및 금속층 중 Al 층과 Ti 층의 접합 계면에, 딱딱해서 부서지기 쉬운 금속간 화합물층인 Al-Ti 층이나 Al-Ti-Cu 층이 형성되어 있다. 그래서, 히트 사이클 등이 부하되었을 때에 크랙의 기점이 된다는 문제가 있었다.
또한, Al 층 상에 Ti 박 (箔) 을 개재하여 Cu 판 등을 적층시키고, Al 층과 Ti 박의 계면이 용융되는 온도로까지 가열하는 경우, 접합 계면에 액상이 생겨 돌기가 생기거나, 두께가 변동되거나 하기 때문에, 접합 신뢰성이 저하되는 문제가 있었다.
여기서, 특허문헌 2 의 Ni 도금의 대체로서, 특허문헌 4 에 기재된 바와 같이, Al 로 이루어지는 회로층 및 금속층의 표면에 Ti 박을 개재하여 Ni 판을 접합시켜 Ni 층을 형성하는 것도 고려될 수 있다. 또한, 특허문헌 3 의 산화은 페이스트를 사용할 때에, Al 로 이루어지는 회로층 및 금속층의 표면에 Ti 박을 개재하여 Ag 판을 접합시켜 Ag 하지층을 형성하는 것도 고려될 수 있다.
그러나, 특허문헌 4 에 기재된 방법으로 Ni 층이나 Ag 층을 형성하면, Cu 층을 형성한 경우와 마찬가지로, Al 층과 Ti 층의 접합 계면에, Al-Ti 층, Al-Ti-Ni 층, Al-Ti-Ag 층 등의 딱딱해서 부서지기 쉬운 금속간 화합물층이 형성되거나, 접합 계면에 돌기가 생기거나 하는 것 등에 의해, 접합 신뢰성이 저하될 우려가 있었다.
이상과 같이, 종래에는 알루미늄 부재와, 구리, 니켈, 은 중 어느 것으로 이루어지는 금속 부재를 양호하게 접합시킬 수 없어, 접합 신뢰성이 우수한 접합체를 얻을 수는 없었다.
또한, 내부에 냉각 매체의 유로 등이 형성된 복잡한 구조의 히트 싱크에 있어서는, 비교적 고상선 온도가 낮은 알루미늄 주물 합금을 사용하여 제조되는 경우가 있다. 이러한 히트 싱크에 있어서는, 특허문헌 4 에 기재된 바와 같이, 구리, 니켈 또는 은으로 이루어지는 금속 부재와 접합시킨 경우에, 접합 온도를 충분히 상승시킬 수 없어, Ti 와 Cu 를 접합시킬 수 없었다.
본 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 비교적 고상선 온도가 낮은 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 부재와, 구리, 니켈 또는 은으로 이루어지는 금속 부재가 양호하게 접합된 접합체, 이 접합체를 갖는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 히트 싱크, 이 접합체의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 히트 싱크의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 양태인 접합체는, 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 부재와, 구리, 니켈 또는 은으로 이루어지는 금속 부재가 접합된 접합체로서, 상기 알루미늄 부재는, 고상선 온도가 상기 금속 부재를 구성하는 금속 원소와 알루미늄의 공정 (共晶) 온도 미만으로 된 알루미늄 합금으로 구성되어 있고, 상기 알루미늄 부재와 상기 금속 부재의 접합부에는 Ti 층이 형성되어 있고, 상기 알루미늄 부재와 상기 Ti 층 및 상기 Ti 층과 상기 금속 부재가, 각각 고상 확산 접합되어 있다.
또, 본 발명에 있어서, 금속 부재는, 구리 또는 구리 합금, 니켈 또는 니켈 합금, 혹은 은 또는 은 합금으로 구성되어 있다.
이 구성을 갖는 접합체에 따르면, 고상선 온도가 상기 금속 부재를 구성하는 금속 원소와 알루미늄의 공정 온도 미만으로 된 알루미늄 합금으로 구성된 알루미늄 부재와 금속 부재의 접합부에 Ti 층이 형성되고, 상기 금속 부재와 상기 Ti 층 및 상기 Ti 층과 상기 알루미늄 부재가, 각각 고상 확산 접합되어 있으므로, Ti 층에 의해 알루미늄 부재의 Al 원자와 금속 부재의 금속 (Cu, Ni, Ag) 원자가 서로 확산되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 상기 알루미늄 부재와 상기 금속 부재의 접합부에 액상이 생겨, 딱딱해서 부서지기 쉬운 금속간 화합물층이 두껍게 형성되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 접합 신뢰성이 양호한 접합체를 얻을 수 있다.
본 발명의 일 양태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 절연층과, 이 절연층의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 절연층의 타방의 면에 형성된 금속층과, 이 금속층에 접합된 히트 싱크를 구비한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판으로서, 상기 금속층은, 상기 히트 싱크와의 접합면이 구리, 니켈 또는 은으로 구성되고, 상기 히트 싱크는, 고상선 온도가 상기 금속층의 접합면을 구성하는 금속 원소와 알루미늄의 공정 온도 미만으로 된 알루미늄 합금으로 구성되어 있고, 상기 금속층과 상기 히트 싱크의 접합부에는 Ti 층이 형성되어 있고, 상기 금속층과 상기 Ti 층 및 상기 Ti 층과 상기 히트 싱크가, 각각 고상 확산 접합되어 있다.
이 구성을 갖는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 따르면, 상기 히트 싱크와의 접합면이 구리, 니켈 또는 은으로 구성된 금속층과 히트 싱크의 접합부에 Ti 층이 형성되고, 상기 금속층과 상기 Ti 층 및 상기 Ti 층과 상기 히트 싱크가, 각각 고상 확산 접합되어 있으므로, Ti 층에 의해 히트 싱크의 Al 원자와 금속층 (상기 히트 싱크와의 접합면) 의 금속 (Cu, Ni, Ag) 원자가 서로 확산되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 상기 히트 싱크와 상기 금속층의 접합부에 액상이 생겨, 딱딱해서 부서지기 쉬운 금속간 화합물층이 두껍게 형성되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 히트 싱크와 파워 모듈용 기판의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 양태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 있어서, 히트 싱크가, 고상선 온도가 상기 금속층의 접합면을 구성하는 금속 원소와 알루미늄의 공정 온도 미만으로 된 알루미늄 합금으로 구성되어 있으므로, 유로 등을 갖는 복잡한 구조의 히트 싱크를 구성할 수 있어, 히트 싱크의 방열 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명의 일 양태인 히트 싱크는, 히트 싱크 본체와, 상기 히트 싱크 본체에 접합된 금속 부재층을 구비한 히트 싱크로서, 상기 금속 부재층은, 구리, 니켈 또는 은으로 이루어지고, 상기 히트 싱크 본체는, 고상선 온도가 상기 금속 부재층을 구성하는 금속 원소와 알루미늄의 공정 온도 미만으로 된 알루미늄 합금으로 구성되어 있고, 상기 히트 싱크 본체와 상기 금속 부재층의 접합부에는 Ti 층이 형성되어 있고, 상기 히트 싱크 본체와 상기 Ti 층 및 상기 Ti 층과 상기 금속 부재층이, 각각 고상 확산 접합되어 있다.
이 구성을 갖는 히트 싱크에 따르면, 히트 싱크 본체가, 고상선 온도가 상기 금속 부재층을 구성하는 금속 원소와 알루미늄의 공정 온도 미만으로 된 알루미늄 합금으로 구성되어 있으므로, 유로 등을 갖는 복잡한 구조의 히트 싱크 본체를 구성할 수 있다.
또한, 이 히트 싱크 본체에, 구리, 니켈 또는 은으로 이루어지는 금속 부재층이 형성되어 있으므로, 히트 싱크와 다른 부재를 솔더 등을 개재하여 양호하게 접합시킬 수 있다.
또한, 알루미늄 합금보다 열전도성이 양호한 금속으로 금속 부재층을 형성한 경우에는, 열을 금속 부재층으로 면 방향으로 확산시킬 수 있어, 방열 특성을 대폭 향상시킬 수 있다.
그리고, 히트 싱크 본체와 금속 부재층의 접합부에 Ti 층이 형성되고, 상기 금속 부재층과 상기 Ti 층 및 상기 Ti 층과 상기 히트 싱크 본체가, 각각 고상 확산 접합되어 있다. 그래서, Ti 층에 의해 히트 싱크 본체의 Al 원자와 금속 부재층의 금속 (Cu, Ni, Ag) 원자가 서로 확산되는 것을 억제할 수 있다. 또, 히트 싱크 본체와 금속 부재층의 접합부에 액상이 생겨 딱딱해서 부서지기 쉬운 금속간 화합물층이 두껍게 형성되는 것을 억제할 수 있다.
따라서, 히트 싱크 본체와 금속 부재층의 접합 신뢰성이 양호한 히트 싱크를 얻을 수 있다.
본 발명의 일 양태인 접합체의 제조 방법은, 상기 서술한 접합체의 제조 방법으로서, 상기 Ti 층이 되는 Ti 재와 상기 금속 부재를 고상 확산 접합시키는 Ti/금속 부재 접합 공정과, 상기 Ti 재가 접합된 금속 부재와 상기 알루미늄 부재를 고상 확산 접합시키는 알루미늄 부재/Ti 접합 공정을 구비하고 있다.
이 구성을 갖는 접합체의 제조 방법에 따르면, Ti/금속 부재 접합 공정에 의해 Ti 층이 되는 Ti 재와 금속 부재를 고상 확산 접합시킨 후에, 상기 Ti 재가 접합된 금속 부재와 상기 알루미늄 부재를 고상 확산 접합시키고 있으므로, Ti 재와 금속 부재의 접합 조건 (온도, 시간) 을 비교적 자유롭게 설정할 수 있다. 또, Ti 층과 금속 부재층을 확실하게 고상 확산 접합시킬 수 있게 된다. 또한, 알루미늄 부재/Ti 접합 공정에 있어서는, 알루미늄 부재가 용융되지 않는 저온 조건에서 Ti 층과 알루미늄 부재를 고상 확산 접합시킬 수 있다.
본 발명의 일 양태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 상기 서술한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 Ti 층이 되는 Ti 재와 상기 금속층을 고상 확산 접합시키는 Ti/금속층 접합 공정과, 상기 Ti 재가 접합된 금속층과 상기 히트 싱크를 고상 확산 접합시키는 히트 싱크/Ti 접합 공정을 구비하고 있다.
이 구성을 갖는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 따르면, Ti/금속층 접합 공정에 의해 Ti 층이 되는 Ti 재와 금속층을 고상 확산 접합시킨 후에, 상기 Ti 재가 접합된 금속층과 상기 히트 싱크를 고상 확산 접합시키고 있으므로, Ti 재와 금속층의 접합 조건 (온도, 시간) 을 비교적 자유롭게 설정할 수 있다. 또, Ti 층과 금속층을 확실하게 고상 확산 접합시킬 수 있게 된다. 또한, 히트 싱크/Ti 접합 공정에 있어서는, 히트 싱크가 용융되지 않는 저온 조건에서 Ti 층과 히트 싱크를 고상 확산 접합시킬 수 있다.
본 발명의 일 양태인 히트 싱크의 제조 방법은, 상기 서술한 히트 싱크의 제조 방법으로서, 상기 Ti 층이 되는 Ti 재와 상기 금속 부재층을 고상 확산 접합시키는 Ti/금속 부재층 접합 공정과, 상기 Ti 재가 접합된 금속 부재층과 상기 히트 싱크 본체를 고상 확산 접합시키는 히트 싱크 본체/Ti 접합 공정을 구비하고 있다.
이 구성을 갖는 히트 싱크의 제조 방법에 따르면, Ti/금속 부재층 접합 공정에 의해 Ti 층이 되는 Ti 재와 금속 부재층을 고상 확산 접합시킨 후에, 상기 Ti 재가 접합된 금속 부재층과 상기 히트 싱크 본체를 고상 확산 접합시키고 있으므로, Ti 재와 금속 부재층의 접합 조건 (온도, 시간) 을 비교적 자유롭게 설정할 수 있다. 또, Ti 층과 금속 부재층을 확실하게 고상 확산 접합시킬 수 있게 된다. 또한, 히트 싱크 본체/Ti 접합 공정에 있어서는, 히트 싱크 본체가 용융되지 않는 저온 조건에서 Ti 층과 히트 싱크 본체를 고상 확산 접합시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 비교적 고상선 온도가 낮은 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 부재와, 구리, 니켈 또는 은으로 이루어지는 금속 부재가 양호하게 접합된 접합체, 이 접합체를 갖는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 히트 싱크, 이 접합체의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 히트 싱크의 제조 방법을 제공할 수 있게 된다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 구비한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는 도 1 에 있어서의 금속층의 Cu 층과 제 2 Ti 층의 접합 계면의 확대 설명도이다.
도 3 은 도 1 에 있어서의 히트 싱크와 제 2 Ti 층의 접합 계면의 확대 설명도이다.
도 4 는 제 1 실시형태에 관련된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 5 는 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 히트 싱크의 개략 설명도이다.
도 7 은 도 6 에 있어서의 금속 부재층과 Ti 층의 접합 계면의 확대 설명도이다.
도 8 은 제 2 실시형태에 관련된 히트 싱크의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 9 는 제 2 실시형태에 관련된 히트 싱크의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 10 은 본 발명의 다른 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 구비한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
(제 1 실시형태)
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해서, 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 에, 본 발명의 제 1 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 을 사용한 파워 모듈 (1) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (1) 은, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 과, 이 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 솔더층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 를 구비하고 있다.
히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 은, 파워 모듈용 기판 (10) 과 파워 모듈용 기판 (10) 에 접합된 히트 싱크 (31) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 절연층을 구성하는 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 면에 배치 형성된 금속층 (13) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 회로층 (12) 과 금속층 (13) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로, 예를 들어 AlN (질화알루미늄), Si3N4 (질화규소), Al2O3 (알루미나) 등의 절연성이 높은 세라믹스로 구성되고, 본 실시형태에서는, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.2 mm 이상 1.5 mm 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 mm 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판 (22) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 은, 순도가 99 mass％ 이상인 알루미늄 (2N 알루미늄) 의 압연판 (알루미늄판 (22)) 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다. 또, 회로층 (12) 이 되는 알루미늄판 (22) 의 두께는 0.1 mm 이상 1.0 mm 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 mm 로 설정되어 있다.
금속층 (13) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 배치 형성된 Al 층 (13A) 과, 이 Al 층 (13A) 중 세라믹스 기판 (11) 이 접합된 면과 반대측의 면에 제 1 Ti 층 (15) 을 개재하여 적층된 Cu 층 (13B) 을 갖고 있다.
Al 층 (13A) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판 (23A) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 접합되는 알루미늄판 (23A) 의 두께는 0.1 mm 이상 1.0 mm 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 mm 로 설정되어 있다.
Cu 층 (13B) 은, Al 층 (13A) 의 타방의 면에, 제 1 Ti 층 (15) 을 개재하여 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (23B) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 상기 구리판 (23B) 의 두께는 0.05 mm 이상 1 mm 이하의 범위 내로 설정되는 것이 바람직한데, 이것에 한정되지는 않는다. 본 실시형태에서는, 접합되는 구리판 (23B) 은 무산소동으로 이루어지고, 두께는 0.5 mm 로 설정되어 있다.
히트 싱크 (31) 는, 파워 모듈용 기판 (10) 측의 열을 방산시키기 위한 것으로, 본 실시형태에서는, 도 1 에 나타내는 바와 같이 냉각 매체가 유통되는 유로 (32) 가 형성되어 있다.
이 히트 싱크 (31) 는, 고상선 온도가 금속층 (13) 의 접합면 (Cu 층 (13B)) 을 구성하는 Cu 와 Al 의 공정 온도 (548 ℃) 미만으로 된 알루미늄 합금으로 구성되어 있다. 구체적으로는, 히트 싱크 (31) 가, JIS H 2118：2006 에서 규정된 다이캐스트용 알루미늄 합금인 ADC12 (고상선 농도 515 ℃) 로 구성되어 있다. 또, 이 ADC12 는, Cu 를 1.5 ∼ 3.5 mass％ 의 범위 내, Si 를 9.6 ∼ 12.0 mass％ 의 범위 내로 포함하는 알루미늄 합금이다. 상기 히트 싱크 (31) 를 구성하는 알루미늄 합금의 고상선 온도는 515 ℃ 이상 548 ℃ 미만으로 해도 되는데, 이것에 한정되지는 않는다.
그리고, 히트 싱크 (31) 와 금속층 (13) (Cu 층 (13B)) 의 접합부에는 제 2 Ti 층 (35) 이 형성되어 있고, 금속층 (13) (Cu 층 (13B)) 과 제 2 Ti 층 (35) 및 제 2 Ti 층 (35) 과 히트 싱크 (31) 가, 각각 고상 확산 접합되어 있다.
도 2 에 나타내는 바와 같이, 금속층 (13) (Cu 층 (13B)) 과 제 2 Ti 층 (35) 의 접합 계면에는 Cu－Ti 층 (36) 이 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 이 Cu－Ti 층 (36) 의 두께 (t1) 가 1 ㎛ ≤ t1 ≤ 8 ㎛ 인 범위 내로 되어 있다. 상기 Cu－Ti 층 (36) 의 두께 (t1) 는, 2 ㎛ ≤ t1 ≤ 6.5 ㎛ 의 범위 내로 하는 것이 바람직한데, 이것에 한정되지는 않는다.
또한, 본 실시형태에서는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 히트 싱크 (31) 와 제 2 Ti 층 (35) 의 접합 계면에는, Al3Ti 에 Si 가 고용 (固溶) 된 Al－Ti－Si 층 (37) 이 형성되어 있다. 이 Al－Ti－Si 층 (37) 은, 제 2 Ti 층 (35) 측에 형성된 제 1 Al－Ti－Si 층 (37A) 과, 히트 싱크 (31) 측에 형성된 제 2 Al－Ti－Si 층 (37B) 을 구비하고 있다.
제 1 Al－Ti－Si 층 (37A) 과 제 2 Al－Ti－Si 층 (37B) 은, Al3Ti 에 Si 가 고용된 Al－Ti－Si 상으로 이루어지고, 제 2 Al－Ti－Si 층 (37B) 의 Si 농도가, 제 1 Al－Ti－Si 층 (37A) 의 Si 농도보다 낮아진다. 제 1 Al－Ti－Si 층 (37A) 의 Si 농도는 10 at％ 이상 30 at％ 이하로 되어 있고, 제 2 Al－Ti－Si 층 (37B) 의 Si 농도는 0.6 at％ 이상 10 at％ 미만으로 되어 있다. 상기 제 1 Al－Ti－Si 층 (37A) 의 Si 농도는, 15 at％ 이상 25 at％ 이하, 제 2 Al－Ti－Si 층 (37B) 의 Si 농도는 2 at％ 이상 5 at％ 이하로 하는 것이 바람직한데, 이것에 한정되지는 않는다.
다음으로, 본 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 의 제조 방법에 대해서, 도 4 및 도 5 를 참조하여 설명한다.
(알루미늄판 적층 공정 (S01))
먼저, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에, 회로층 (12) 이 되는 알루미늄판 (22) 을, Al－Si 계 브레이징재 (brazing filler material) 박 (26) 을 개재하여 적층시켰다.
또한, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에, Al 층 (13A) 이 되는 알루미늄판 (23A), Al－Si 계 브레이징재박 (26) 을 개재하여 적층시켰다. 또, 본 실시형태에서는, Al－Si 계 브레이징재박 (26) 으로서 두께 10 ㎛ 의 Al－8 mass％ Si 합금박을 사용하였다.
(회로층 및 Al 층 형성 공정 (S02))
그리고, 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠ (0.10 ∼ 3.43 MPa)) 한 상태에서 진공 가열로 내에 배치하고 가열하여, 알루미늄판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 을 접합시켜 회로층 (12) 을 형성한다. 또, 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (23A) 을 접합시켜 Al 층 (13A) 을 형성한다.
여기서, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 ㎩ 이상 10-3 ㎩ 이하의 범위 내로, 가열 온도는 600 ℃ 이상 643 ℃ 이하, 유지 시간은 30 분 이상 180 분 이하의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하다.
(Cu 층 (금속층) 형성 공정 (S03) 및 Ti/금속층 접합 공정 (S04))
다음으로, Al 층 (13A) 의 타방의 면측에, 제 1 티탄박 (25) 을 개재하여 Cu 층 (13B) 이 되는 구리판 (23B) 을 적층시킨다. 또한, 본 실시형태에서는, 구리판 (23B) 의 타방의 면측에, 제 2 티탄박 (45) 을 적층시킨다. 여기서, 제 1 티탄박 (25) 및 제 2 티탄박 (45) 의 순도는 99 mass％ 이상으로 되어 있다. 또, 제 1 티탄박 (25) 및 제 2 티탄박 (45) 의 두께는 3 ㎛ 이상 40 ㎛ 이하로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 10 ㎛ 로 설정되어 있다.
그리고, 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠ (0.10 ∼ 3.43 MPa)) 한 상태에서 진공 가열로 내에 배치하고 가열하여, Al 층 (13A) 과 제 1 티탄박 (25), 및 제 1 티탄박 (25) 과 구리판 (23B) 을 고상 확산 접합시켜 금속층 (13) 을 형성한다. 또한, 구리판 (23B) (Cu 층 (13B)) 과 제 2 티탄박 (45) 을 고상 확산 접합시켜, 제 2 Ti 층 (35) 을 형성한다.
여기서, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 ㎩ 이상 10-3 ㎩ 이하의 범위 내로, 가열 온도는 600 ℃ 이상 643 ℃ 이하, 유지 시간은 30 분 이상 180 분 이하의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하다. 상기 가열 온도는 630 ℃ 이상 643 ℃ 이하, 유지 시간은 45 분 이상 120 분 이하의 범위 내로 설정하는 것이 보다 바람직한데, 이것에 한정되지는 않는다.
또, Al 층 (13A), 제 1 티탄박 (25), 구리판 (23B), 제 2 티탄박 (45) 중 고상 확산 접합되는 각각의 접합면은, 미리 당해 면의 흠집이 제거되어 평활하게 되어 있다.
(히트 싱크/Ti 접합 공정 (S05))
다음으로, 제 2 Ti 층 (35) 과 히트 싱크 (31) 를 적층시키고, 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠ (0.10 ∼ 3.43 MPa)) 한 상태에서 진공 가열로 내에 배치하고 가열하여, 제 2 Ti 층 (35) 과 히트 싱크 (31) 를 고상 확산 접합시킨다. 또, 제 2 Ti 층 (35), 히트 싱크 (31) 중 고상 확산 접합되는 각각의 접합면은, 미리 당해 면의 흠집이 제거되어 평활하게 되어 있다.
여기서, 진공 가열로 내의 압력은 10－6 Pa 이상 10－3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도는 400 ℃ 이상 520 ℃ 이하, 유지 시간은 3 시간 이상 24 시간 이하의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하다. 또, 상기 가열 온도는 480 ℃ 이상 520 ℃ 이하, 유지 시간은 18 시간 이상 24 시간 이하의 범위 내로 설정하는 것이 보다 바람직한데, 이것에 한정되지는 않는다.
이와 같이 하여, 본 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 이 제조된다.
(반도체 소자 접합 공정 (S06))
이어서, 회로층 (12) 의 일방의 면 (표면) 에, 솔더층 (2) 이 되는 솔더재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 적층시키고, 환원로 내에 있어서 솔더 접합시킨다.
상기와 같이 하여, 본 실시형태인 파워 모듈 (1) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태에 관련된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 에 따르면, 금속층 (13) 이 Al 층 (13A) 과 Cu 층 (13B) 을 갖고, 이 Cu 층 (13B) 이 히트 싱크 (31) 와의 접합면으로 되어 있고, 금속층 (13) (Cu 층 (13B)) 과 히트 싱크 (31) 의 접합부에 제 2 Ti 층 (35) 이 형성되고, 금속층 (13) (Cu 층 (13B)) 과 제 2 Ti 층 (35), 제 2 Ti 층 (35) 과 히트 싱크 (31) 가 각각 고상 확산 접합되어 있으므로, 제 2 Ti 층 (35) 에 의해 히트 싱크 (31) 중의 Al 과 Cu 층 (13B) 중의 Cu 가 상호 확산되는 것을 억제할 수 있고, 접합부에 딱딱해서 부서지기 쉬운 금속간 화합물이 두껍게 형성되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 히트 싱크 (31) 와 파워 모듈용 기판 (10) 의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 히트 싱크 (31) 가, 고상선 온도가 금속층 (13) 의 접합면 (Cu 층 (13B)) 을 구성하는 Cu 와 Al 의 공정 온도 (548 ℃) 미만으로 된 알루미늄 합금으로 구성되어 있다. 구체적으로는, 히트 싱크 (31) 가, JIS H 2118：2006 에서 규정된 다이캐스트용 알루미늄 합금인 ADC12 (고상선 온도 515 ℃) 로 구성되어 있다. 그래서, 유로 (32) 를 갖는 복잡한 구조의 히트 싱크 (31) 를 구성할 수 있어, 방열 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
그리고, 본 실시형태에서는, 금속층 (13) (Cu 층 (13B)) 과 제 2 Ti 층 (35) 이 되는 제 2 티탄박 (45) 을 고상 확산 접합시킨 후에, 히트 싱크 (31) 와 제 2 Ti 층 (35) 을 고상 확산 접합시키고 있으므로, 금속층 (13) (Cu 층 (13B)) 과 제 2 Ti 층 (35) 의 고상 확산 온도를, 히트 싱크 (31) 를 구성하는 알루미늄 합금의 고상선 온도 (515 ℃) 이상으로 설정할 수 있고, 금속층 (13) (Cu 층 (13B)) 과 제 2 Ti 층 (35) 을 확실하게 고상 확산 접합시킬 수 있게 된다. 본 실시형태에서는, 금속층 (13) (Cu 층 (13B)) 과 제 2 Ti 층 (35) 의 접합 계면에, 두께 (t1) 가 1 ㎛ ≤ t1 ≤ 8 ㎛ 인 범위 내로 된 Cu－Ti 층 (36) 이 형성되어 있으므로, 금속층 (13) (Cu 층 (13B)) 과 제 2 Ti 층 (35) 이 확실하게 접합되어 있다.
또, 히트 싱크 (31) 와 제 2 Ti 층 (35) 을 저온 조건에서 고상 확산 접합시킬 수 있어, 히트 싱크 (31) 가 용융되는 것을 억제할 수 있게 된다. 그래서, 히트 싱크 (31) 와 제 2 Ti 층 (35) 의 고상 확산 온도를, 히트 싱크 (31) 를 구성하는 알루미늄 합금의 고상선 온도 (515 ℃) 미만으로 설정할 수도 있는데, 이것에 한정되지는 않는다. 또한, 본 실시형태에 있어서는, Cu 층 (금속층) 형성 공정 (S03) 과 Ti/금속층 접합 공정 (S04) 을 동시에 실시하는 구성으로 되어 있으므로, 제조 공정을 간략화할 수 있어, 제조 비용을 저감할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 히트 싱크 (31) 와 금속층 (13) (Cu 층 (13B)) 의 접합부에 Al－Ti－Si 층 (37) 이 형성되어 있고, 제 2 Ti 층 (35) 측에 형성된 제 1 Al－Ti－Si 층 (37A) 의 Si 농도가, 히트 싱크 (31) 측에 형성된 제 2 Al－Ti－Si 층 (37B) 의 Si 농도보다 높다. 그래서, Si 농도가 높은 제 1 Al－Ti－Si 층 (37A) 에 의해 Ti 원자가 히트 싱크 (31) 측으로 확산되는 것이 억제되어, Al－Ti－Si 층 (37) 의 두께를 얇게 할 수 있다.
또, 히트 싱크 (31) 측에 형성된 제 2 Al－Ti－Si 층 (37B) 에 포함되는 Si 농도가 0.6 at％ 이상 10 at％ 미만으로 되어 있다. 그래서, Al 원자가 제 2 Ti 층 (35) 측으로 과잉으로 확산되는 것이 억제되고, 제 2 Al－Ti－Si 층 (37B) 의 두께를 얇게 할 수 있다. 또한, 제 2 Ti 층 (35) 측에 형성된 제 1 Al－Ti－Si 층 (37A) 에 포함되는 Si 농도가 10 at％ 이상 30 at％ 이하로 되어 있다. 그래서, Ti 원자가 히트 싱크 (31) 측으로 과잉으로 확산되는 것이 억제되어, 제 1 Al－Ti－Si 층 (37A) 의 두께를 얇게 할 수 있다.
또, 고상 확산 접합시킬 때에, 접합되는 면에 흠집이 있는 경우, 고상 확산 접합시에 간극이 생기는 경우가 있다. 그러나, 본 실시형태에서는, Al 층 (13A), 제 1 티탄박 (25), 구리판 (23B), 제 2 티탄박 (45), 히트 싱크 (31) 가 접합되는 면은, 미리 당해 면의 흠집이 제거되어 평활하게 된 후에, 고상 확산 접합되어 있으므로, 각각의 접합 계면에 간극이 생기는 것을 억제하여 확실하게 접합시킬 수 있다.
(제 2 실시형태)
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태인 히트 싱크에 대해서 설명한다. 도 6 에, 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 히트 싱크 (101) 를 나타낸다.
이 히트 싱크 (101) 는, 히트 싱크 본체 (110) 와, 히트 싱크 본체 (110) 의 일방의 면 (도 6 에 있어서 상측) 에 적층된 구리, 니켈 또는 은으로 이루어지는 금속 부재층 (118) 을 구비하고 있다. 본 실시형태에서는, 금속 부재층 (118) 은, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 두께 2 mm 의 무산소동의 압연판으로 이루어지는 금속판 (128) 을 접합시킴으로써 구성되어 있다. 상기 금속판 (128) 의 두께는, 0.001 mm 이상 3 mm 이하인 것이 바람직한데, 이것에 한정되지는 않는다.
히트 싱크 본체 (110) 는, 냉각 매체가 유통되는 유로 (111) 가 형성되어 있다. 이 히트 싱크 본체 (110) 는, 고상선 온도가 금속 부재층 (118) 을 구성하는 금속 원소 (본 실시형태에서는 Cu) 와 Al 의 공정 온도 (548 ℃) 미만으로 된 알루미늄 합금으로 구성되어 있다. 구체적으로는, 히트 싱크 본체 (110) 가, JIS H 2118：2006 에서 규정된 다이캐스트용 알루미늄 합금인 ADC5 (고상선 온도 535 ℃) 로 구성되어 있다. 또, 이 ADC5 는, Mg 를 4.1 ∼ 8.5 mass％ 의 범위 내로 포함하는 알루미늄 합금이다. 상기 히트 싱크 본체 (110) 를 구성하는 알루미늄 합금의 고상선 온도는 515 ℃ 이상 548 ℃ 미만으로 해도 되는데, 이것에 한정되지는 않는다.
여기서, 히트 싱크 본체 (110) 와 금속 부재층 (118) 의 접합부에는 Ti 층 (115) 이 형성되어 있다.
그리고, 금속 부재층 (118) 과 Ti 층 (115), 및 Ti 층 (115) 과 히트 싱크 본체 (110) 가, 각각 고상 확산 접합되어 있다.
또, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 금속 부재층 (118) 과 Ti 층 (115) 의 접합 계면에는 Cu－Ti 층 (116) 이 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 이 Cu－Ti 층 (116) 의 두께 (t1) 가 1 ㎛ ≤ t1 ≤ 8 ㎛ 인 범위 내로 되어 있다. 상기 Cu－Ti 층 (116) 의 두께 (t1) 는 2 ㎛ ≤ t1 ≤ 6.5 ㎛ 인 범위 내로 하는 것이 바람직한데, 이것에 한정되지는 않는다.
다음으로, 본 실시형태인 히트 싱크 (101) 의 제조 방법에 대해서, 도 8 및 도 9 를 참조하여 설명한다.
(Ti/금속 부재층 접합 공정 (S101))
먼저, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 금속 부재층 (118) 이 되는 금속판 (128) 과, Ti 층 (115) 이 되는 티탄박 (125) 을 적층시키고, 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠ (0.10 ∼ 3.43 MPa)) 한 상태에서 진공 가열로 내에 배치하고 가열함으로써, 금속판 (128) 과 티탄박 (125) 을 고상 확산 접합시킨다. 또, 금속판 (128), 티탄박 (125) 중 고상 확산 접합되는 각각의 접합면은, 미리 당해 면의 흠집이 제거되어 평활하게 되어 있다. 또한, 티탄박 (125) 의 순도는 99 mass％ 이상으로 되어 있고, 티탄박 (125) 의 두께는 3 ㎛ 이상 40 ㎛ 이하로 설정되어 있으며, 본 실시형태에서는 10 ㎛ 로 설정되어 있다.
여기서, 진공 가열로 내의 압력은 10－6 Pa 이상 10－3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도는 600 ℃ 이상 670 ℃ 이하, 유지 시간은 30 분 이상 180 분 이하의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하다. 또, 상기 가열 온도는 630 ℃ 이상 670 ℃ 이하, 유지 시간은 45 분 이상 120 분 이하의 범위 내로 설정하는 것이 보다 바람직한데, 이것에 한정되지는 않는다.
(히트 싱크 본체/Ti 접합 공정 (S102))
다음으로, Ti 층 (115) 과 히트 싱크 본체 (110) 를 적층시키고, 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠ (0.10 ∼ 3.43 MPa)) 한 상태에서 진공 가열로 내에 배치하고 가열하여, Ti 층 (115) 과 히트 싱크 본체 (110) 를 고상 확산 접합시킨다. 또, Ti 층 (115), 히트 싱크 본체 (110) 중 고상 확산 접합되는 각각의 접합면은, 미리 당해 면의 흠집이 제거되어 평활하게 되어 있다.
여기서, 진공 가열로 내의 압력은 10－6 Pa 이상 10－3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도는 400 ℃ 이상 520 ℃ 이하, 유지 시간은 3 시간 이상 24 시간 이하의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하다. 또, 상기 가열 온도는 480 ℃ 이상 520 ℃ 이하, 유지 시간은 18 시간 이상 24 시간 이하의 범위 내로 설정하는 것이 보다 바람직한데, 이것에 한정되지는 않는다.
이와 같이 하여, 본 실시형태인 히트 싱크 (101) 가 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태에 관련된 히트 싱크 (101) 에 따르면, 히트 싱크 본체 (110) 의 일방의 면에, 무산소동의 압연판으로 이루어지는 금속판 (128) 을 접합시킴으로써 금속 부재층 (118) 이 형성되어 있으므로, 열을 금속 부재층 (118) 에 의해 면 방향으로 확산시킬 수 있어, 방열 특성을 대폭 향상시킬 수 있다. 또한, 솔더 등을 사용하여 다른 부재와 히트 싱크 (101) 를 양호하게 접합시킬 수 있다.
또, 히트 싱크 본체 (110) 가, 고상선 온도가 금속 부재층 (118) 을 구성하는 금속 원소 (본 실시형태에서는 Cu) 와 Al 의 공정 온도 (548 ℃) 미만으로 된 알루미늄 합금으로 구성되어 있다. 구체적으로는, 히트 싱크 본체 (110) 가, JIS H 2118：2006 에서 규정된 다이캐스트용 알루미늄 합금인 ADC5 (고상선 온도 535 ℃) 로 구성되어 있다. 그래서, 유로 등을 갖는 복잡한 구조의 히트 싱크 본체 (110) 를 구성할 수 있다.
그리고, 히트 싱크 본체 (110) 와 금속 부재층 (118) 의 접합부에 Ti 층 (115) 이 형성되어 있고, 금속 부재층 (118) 과 Ti 층 (115), 및 Ti 층 (115) 과 히트 싱크 본체 (110) 가, 각각 고상 확산 접합되어 있다. 그래서, Ti 층 (115) 에 의해 히트 싱크 본체 (110) 의 Al 원자와 금속 부재층 (118) 의 Cu 원자가 서로 확산되는 것을 억제할 수 있어, 히트 싱크 본체 (110) 와 금속 부재층 (118) 의 접합부에 액상이 생겨 딱딱해서 부서지기 쉬운 금속간 화합물층이 두껍게 형성되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 히트 싱크 본체 (110) 와 금속 부재층 (118) 의 접합 신뢰성이 양호한 히트 싱크 (101) 를 얻을 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, Ti/금속 부재층 접합 공정 (S101) 에 의해 Ti 층 (115) 이 되는 티탄박 (125) 과 금속 부재층 (118) 이 되는 금속판 (128) 을 고상 확산 접합시킨 후에, 히트 싱크 본체/Ti 접합 공정 (S102) 에 의해 Ti 층 (115) 과 히트 싱크 본체 (110) 를 고상 확산 접합시키고 있다. 그래서, Ti/금속 부재층 접합 공정 (S101) 에 있어서의 티탄박 (125) 과 금속판 (128) 의 접합 조건 (온도, 시간) 을 비교적 자유롭게 설정할 수 있고, Ti 층 (115) 과 금속 부재층 (118) 을 확실하게 고상 확산 접합시킬 수 있게 된다. 본 실시형태에서는, 금속 부재층 (118) 과 Ti 층 (115) 의 접합 계면에, 두께 (t1) 가 1 ㎛ ≤ t1 ≤ 8 ㎛ 인 범위 내로 된 Cu－Ti 층 (116) 이 형성되어 있으므로, 금속 부재층 (118) 과 Ti 층 (115) 이 확실하게 접합되어 있다.
또, 히트 싱크 본체/Ti 접합 공정 (S102) 에 있어서는, 히트 싱크 본체 (110) 가 용융되지 않는 저온 조건에서 Ti 층 (115) 과 히트 싱크 본체 (110) 를 고상 확산 접합시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명했는데, 본 발명은 이것에 한정되지는 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경할 수 있다.
예를 들어, 상기 실시형태에서는, 금속 부재층으로서 구리로 이루어지는 Cu 층이 접합되는 경우에 대해서 설명했는데, Cu 층 대신에 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 Ni 층, 혹은 은 또는 은 합금으로 이루어지는 Ag 층이 접합되어도 된다.
Cu 층 대신에 Ni 층을 형성한 경우에는, 솔더링성이 양호해져, 다른 부재와의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 고상 확산 접합에 의해 Ni 층을 형성하는 경우에는, 무전해 도금 등으로 Ni 도금막을 형성할 때에 실시되는 마스킹 처리가 불필요하므로, 제조 비용을 저감할 수 있다. 이 경우, Ni 층의 두께는 1 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. Ni 층의 두께가 1 ㎛ 미만인 경우에는 다른 부재와의 접합 신뢰성을 향상시키는 효과가 없어질 우려가 있고, 30 ㎛ 를 초과하는 경우에는 Ni 층이 열저항체가 되어 효율적으로 열을 전달할 수 없게 될 우려가 있다. 또한, 고상 확산 접합에 의해 Ni 층을 형성하는 경우, 고상 확산 접합은, 전술한 실시형태와 동일한 조건에서 형성할 수 있다. 상기 Ni 층의 두께는 1 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직한데, 이것에 한정되지는 않는다.
Cu 층 대신에 Ag 층을 형성한 경우에는, 예를 들어 산화은 입자와 유기물로 이루어지는 환원제를 포함하는 산화은 페이스트를 사용하여 다른 부재를 접합시킬 때에, 산화은이 환원된 은과 Ag 층이 동종의 금속끼리의 접합이 되기 때문에, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 열전도율이 양호한 Ag 층이 형성되므로, 열을 면 방향으로 확산시켜 효율적으로 전달할 수 있다. 이 경우, Ag 층의 두께는 1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
Ag 층의 두께가 1 ㎛ 미만인 경우에는 다른 부재와의 접합 신뢰성을 향상시키는 효과가 없어질 우려가 있고, 20 ㎛ 를 초과하는 경우에는 접합 신뢰성을 향상시키는 효과를 볼 수 없게 되어, 비용의 증가를 초래시킨다. 또한, 고상 확산 접합에 의해 Ag 층을 형성하는 경우, 고상 확산 접합은, 전술한 실시형태와 동일한 조건에서 형성할 수 있다. 상기 Ag 층의 두께는 1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직한데, 이것에 한정되지는 않는다.
또한, 제 1 실시형태에서는, 금속층 (13) 을, Al 층 (13A) 과 Cu 층 (13B) 을 갖는 것으로서 설명했는데, 이것에 한정되지는 않고, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 금속층 전체를 구리 또는 구리 합금으로 구성해도 된다. 이 도 10 에 나타내는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (230) 에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 10 에 있어서 하측) 에 구리판이 DBC 법 혹은 활성 금속 브레이징법 등에 의해 접합되고, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속층 (213) 이 형성되어 있다. 그리고, 이 금속층 (213) 과 Ti 층 (235), Ti 층 (235) 과 히트 싱크 (31) 가, 각각 고상 확산 접합되어 있다. 또한, 도 10 에 나타내는 파워 모듈용 기판 (210) 에 있어서는, 회로층 (212) 도 구리 또는 구리 합금에 의해 구성되어 있다.
또, 제 1 실시형태에 있어서, 회로층을 순도 99 mass％ 의 알루미늄판을 접합시킴으로써 형성한 것으로서 설명했는데, 이것에 한정되지는 않고, 다른 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 구리 또는 구리 합금 등의 다른 금속으로 구성한 것이어도 된다.
또한, 회로층을 Al 층과 Cu 층의 2 층 구조의 것으로 해도 된다. 이것은, 도 10 에 나타내는 파워 모듈용 기판에서도 마찬가지다.
또, 제 1 실시형태에 있어서 회로층 및 Al 층 형성 공정 (S02) 과 Cu 층 (금속층) 형성 공정 (S03) 및 Ti/금속층 접합 공정 (S04) 을 각각 별도로 실시했는데, 이것에 한정되지 않고, 일괄적으로 실시할 수도 있다. 즉, 세라믹스 기판의 일방의 면에 Al－Si 계 브레이징재박 (26) 을 개재하여 알루미늄판 (22) 을 적층시키고, 타방의 면에 세라믹스 기판측에서부터 Al－Si 계 브레이징재박 (26), 알루미늄판 (23A), 제 1 티탄박 (25), 구리판 (23B), 제 2 티탄박 (45) 을 적층시키고, 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠ (0.10 ∼ 3.43 MPa)) 한 상태에서, 유지 시간 30 분 이상 180 분 이하로 하고, 가열 (600 ℃ 이상 643 ℃ 이하) 함으로써 파워 모듈용 기판 (10) 을 제조할 수 있다.
실시예
이하에, 본 발명의 효과를 확인하기 위해 실시한 확인 실험의 결과에 대해서 설명한다.
(실시예 1)
표 1 에 나타내는 알루미늄판 (50 mm × 50 mm × 두께 5 mm) 및 금속판 (40 mm × 40 mm) 을 준비하였다. 또한, 순도 99 mass％, 두께 10 ㎛ 의 티탄박을 준비하였다.
본 발명예 1 ∼ 6 에 있어서는, 표 1 의 금속판과 티탄박을 표 1 에 나타내는 조건에서 고상 확산 접합시켰다. 그 후, 티탄박이 접합된 금속판과 알루미늄판을 표 1 에 나타내는 조건에서 고상 확산 접합시켰다.
또, 비교예 1, 2 에 있어서는, 금속판과 티탄박과 알루미늄판의 접합을 동시에 실시하였다.
이와 같이 하여 제조된 접합체에 있어서의 금속판과 Ti 층의 접합부를 단면 관찰하여, 금속판을 구성하는 금속 원소와 Ti 의 금속간 화합물층의 두께를 측정하였다. 또, 알루미늄판과 금속판의 접합부의 접합률을 측정하였다. 평가의 구체적 순서를 이하에 나타낸다.
(단면 관찰 및 금속판을 구성하는 금속 원소와 Ti 의 금속간 화합물층의 두께의 측정)
접합체의 단면을 크로스 섹션 폴리셔 (닛폰 전자 주식회사 제조 SM-09010) 를 사용하여, 이온 가속 전압 : 5 ㎸, 가공 시간 : 14 시간, 차폐판으로부터의 돌출량 : 100 ㎛ 로 이온 에칭하였다. 다음으로, 금속판과 Ti 층의 접합부를 EPMA (닛폰 전자 주식회사 제조 JXA－8530F) 에 의해 배율 2000 배의 시야 (세로 45 ㎛ ；가로 60 ㎛) 로 5 시야 관찰하고, Ti 의 매핑을 실시하였다. 금속간 화합물층의 면적을 구하고, 그 면적을 측정 시야의 폭의 치수로 나누어 두께를 산출하고, 5 시야의 평균을 금속간 화합물층의 두께로 하였다.
구리로 이루어지는 금속판을 사용한 경우에는, Ti 농도가 19 at％ 이상 67 at％ 이하인 영역을 금속간 화합물층으로 하였다.
니켈로 이루어지는 금속판을 사용한 경우에는, Ti 농도가 25 at％ 이상 67 at％ 이하인 영역을 금속간 화합물층으로 하였다.
은으로 이루어지는 금속판을 사용한 경우에는, Ti 농도가 50 at％ 이상 67 at％ 이하인 영역을 금속간 화합물층으로 하였다.
(접합률 평가)
접합체의 알루미늄판과 금속판의 접합부의 접합률은, 초음파 탐상 장치 (주식회사 히타치 파워솔루션즈 제조 FineSAT200) 를 사용하여 평가하고, 이하의 식으로부터 산출하였다. 여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적으로, 알루미늄판의 면적 (50 mm × 50 mm) 으로 하였다. 초음파 탐상 이미지를 2 치화 처리한 화상에 있어서 박리는 백색부로 나타내기 때문에, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 하였다.
접합률 (％) ＝｛(초기 접합 면적)－(박리 면적)｝/(초기 접합 면적) × 100
이상의 평가 결과를 표 1 에 나타낸다.
Figure 112017016269545-pct00001
비교예 1 에서는, 금속판과 티탄박과 알루미늄판의 접합을 동시에 실시하고, 접합 온도를 알루미늄판의 고상선 온도 미만으로 설정하였다. 이러한 비교예 1 에 있어서는, 금속판과 티탄박 (Ti 층) 이 충분히 접합되지 않았다.
비교예 2 에서는, 금속판과 티탄박과 알루미늄판의 접합을 동시에 실시하고, 접합 온도를 알루미늄판의 고상선 온도 이상으로 설정하였다. 이러한 비교예 2 에 있어서는, 알루미늄판의 일부가 용융되어 버려, 접합률이 대폭 저하되었다. 또, 비교예 2 에서는, 알루미늄판의 일부가 용융되었기 때문에, 금속간 화합물 층의 두께를 측정할 수 없었다.
이에 비해, 본 발명예 1 ∼ 6 에서는, 금속판과 티탄박 (Ti 층) 을 접합시킨 후에, Ti 층과 알루미늄판을 접합시켰다. 이러한 본 발명예 1 ∼ 6 에 있어서는, 금속판과 티탄박 (Ti 층) 을 비교적 고온 조건에서 고상 확산 접합시킬 수 있어, 금속판과 Ti 층을 확실하게 접합시킬 수 있었다. 또한, 고상선 온도 미만의 온도 조건에서 알루미늄판과 Ti 층을 확실하게 접합시킬 수 있었다.
(실시예 2)
표 2 에 나타내는 알루미늄판 (50 mm × 50 mm × 두께 5 mm) 및 금속판 (40 mm × 40 mm) 을 준비하였다. 또, 순도 99 mass％, 두께 10 ㎛ 의 티탄박을 준비하였다.
본 발명예 11 ∼ 17 에 있어서는, 표 2 의 금속판과 티탄박을 표 2 에 나타내는 조건에서 고상 확산 접합시켰다. 그 후, 티탄박이 접합된 금속판과 알루미늄판을 표 2 에 나타내는 조건에서 고상 확산 접합시켰다.
이와 같이 하여 제조된 접합체에 있어서의 금속판과 Ti 층의 접합부를 단면 관찰하여, 금속판을 구성하는 금속 원소와 Ti 의 금속간 화합물층의 두께를 측정하였다. 두께의 측정 방법은, 실시예 1 과 동일하게 하였다.
또, 제 1 Al－Ti－Si 층 및 제 2 Al－Ti－Si 층의 Si 농도는 다음과 같이 구하였다.
접합체를 적층 방향으로 기계 절단하여, 얻어진 단면을 두께 약 30 ㎛ 까지 기계 연마하여, 단면 시료로 한다. 그 후, 접합 계면 부근에 4 kV 의 아르곤 이온을 상하 (적층 방향과 수직인 면) 로부터 4 도의 각도로 입사시키고, 스퍼터링으로 단면 시료에 구멍이 형성될 때까지 박편화 (薄片化) 시킨다. 구멍의 가장자리가 에지상으로 되어 전자선이 투과할 수 있는 두께 0.1 ㎛ 정도가 되므로, 이 부분을 TEM 및 EDS 로 측정하였다. TEM 및 EDS 의 측정은, FEI 사 제조 Titan Chemi STEM (EDS 검출기 부착), 가속 전압：200 kV, 빔 직경：5 nm, 배율：1 만배로 실시하였다.
TEM 및 EDS 에 의한 측정에서는, Ti 층측에서부터 알루미늄판측 (알루미늄 부재측) 을 향하여 Si 의 라인 분석을 실시하고, 최초로 출현한 Si 의 피크를 제 1 Al－Ti－Si 층의 Si 농도로 하고, 그 피크로부터 알루미늄판측으로 150 nm 떨어진 지점을 제 2 Al－Ti－Si 층의 Si 농도로 하였다.
또, 냉열 사이클 시험 후의 알루미늄판과 금속판의 접합부의 접합률을 측정하였다. 냉열 사이클 시험은, 에스펙 주식회사 제조 냉열 충격 시험기 TSB-51 을 사용하여, 각 접합체에 대하여 액상 (불소계 불활성 액체 (3M 사 제조 플루오리너트)) 에서, －40 ℃ 에서 5 분 및 150 ℃ 에서 5 분의 사이클을 4000 사이클 반복하였다. 접합률의 측정 방법은 실시예 1 과 동일하게 하였다.
Figure 112017016269545-pct00002
Figure 112017016269545-pct00003
제 2 Al－Ti－Si 층의 Si 농도가 0.6 at％ ∼ 9.6 at％ 로 된 본 발명예 12 ∼ 16 에서는, 초기의 접합률 및 냉열 사이클 후의 접합률이 높아, 접합 신뢰성이 우수한 접합체가 얻어졌다.
한편, 제 2 Al－Ti－Si 층의 Si 농도가 0.3 at％ 인 본 발명예 11 에서는, 초기의 접합률이 본 발명예 12 ∼ 14 와 비교하여 약간 저하되었다.
또, 제 2 Al－Ti－Si 층의 Si 농도가 11.9 at％ 인 본 발명예 17 에서는, Si 농도가 높기 때문에 접합 계면이 딱딱해져, 접합 신뢰성이 약간 저하되었다.
산업상 이용가능성
본 발명의 접합체, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트 싱크, 및 그 제조 방법에 따르면, 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 부재와, 구리, 니켈 또는 은으로 이루어지는 금속 부재를 양호하게 접합시킬 수 있게 된다. 그래서, 본 발명의 접합체, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 및 히트 싱크는, 풍력 발전, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등을 제어하기 위해서 사용되는 대전력 제어용 파워 반도체 소자에 적합하다.
10, 210 : 파워 모듈용 기판
11 : 세라믹스 기판
13, 213 : 금속층
13B : Cu 층 (금속 부재)
31 : 히트 싱크 (알루미늄 부재)
35 : 제 2 Ti 층 (Ti 층)
45 : 제 2 티탄박 (Ti 재)
101 : 히트 싱크
110 : 히트 싱크 본체
115 : Ti 층
118 : 금속 부재층

Claims (6)

  1. 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 부재와, 구리, 니켈 또는 은으로 이루어지는 금속 부재가 접합된 접합체로서,
    상기 알루미늄 부재는, 고상선 온도가 상기 금속 부재를 구성하는 금속 원소와 알루미늄의 공정 온도 미만으로 된 알루미늄 합금으로 구성되어 있고,
    상기 알루미늄 부재와 상기 금속 부재의 접합부에는 Ti 층이 형성되어 있고, 상기 알루미늄 부재와 상기 Ti 층 및 상기 Ti 층과 상기 금속 부재가, 각각 고상 확산 접합되어 있는, 접합체.
  2. 절연층과, 이 절연층의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 절연층의 타방의 면에 형성된 금속층과, 이 금속층에 접합된 히트 싱크를 구비한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판으로서,
    상기 금속층은, 상기 히트 싱크와의 접합면이 구리, 니켈 또는 은으로 구성되고,
    상기 히트 싱크는, 고상선 온도가 상기 금속층의 상기 접합면을 구성하는 금속 원소와 알루미늄의 공정 온도 미만으로 된 알루미늄 합금으로 구성되어 있고,
    상기 금속층과 상기 히트 싱크의 접합부에는 Ti 층이 형성되어 있고, 상기 금속층과 상기 Ti 층 및 상기 Ti 층과 상기 히트 싱크가, 각각 고상 확산 접합되어 있는, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
  3. 히트 싱크 본체와, 상기 히트 싱크 본체에 접합된 금속 부재층을 구비한 히트 싱크로서,
    상기 금속 부재층은, 구리, 니켈 또는 은으로 이루어지고,
    상기 히트 싱크 본체는, 고상선 온도가 상기 금속 부재층을 구성하는 금속 원소와 알루미늄의 공정 온도 미만으로 된 알루미늄 합금으로 구성되어 있고,
    상기 히트 싱크 본체와 상기 금속 부재층의 접합부에는 Ti 층이 형성되어 있고, 상기 히트 싱크 본체와 상기 Ti 층 및 상기 Ti 층과 상기 금속 부재층이, 각각 고상 확산 접합되어 있는, 히트 싱크.
  4. 제 1 항에 기재된 접합체의 제조 방법으로서,
    상기 Ti 층이 되는 Ti 재와 상기 금속 부재를 고상 확산 접합시키는 Ti/금속 부재 접합 공정과,
    상기 Ti 재가 접합된 금속 부재와 상기 알루미늄 부재를 고상 확산 접합시키는 알루미늄 부재/Ti 접합 공정을 구비하고 있는, 접합체의 제조 방법.
  5. 제 2 항에 기재된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 Ti 층이 되는 Ti 재와 상기 금속층을 고상 확산 접합시키는 Ti/금속층 접합 공정과,
    상기 Ti 재가 접합된 금속층과 상기 히트 싱크를 고상 확산 접합시키는 히트 싱크/Ti 접합 공정을 구비하고 있는, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  6. 제 3 항에 기재된 히트 싱크의 제조 방법으로서,
    상기 Ti 층이 되는 Ti 재와 상기 금속 부재층을 고상 확산 접합시키는 Ti/금속 부재층 접합 공정과,
    상기 Ti 재가 접합된 금속 부재층과 상기 히트 싱크 본체를 고상 확산 접합시키는 히트 싱크 본체/Ti 접합 공정을 구비하고 있는, 히트 싱크의 제조 방법.
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