KR102339805B1 - 세라믹스 회로 기판 - Google Patents

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고스케 와다
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Abstract

[과제] 높은 접합 강도와 우수한 내열 사이클성을 가지며 전자 기기로서의 동작 신뢰성을 향상시킴과 동시에 방열성이 우수한 세라믹스 회로 기판을 얻는 것. [해결수단] 세라믹스 기판의 양 주요면과 금속판이 은-구리계 땜납재층을 통해 접합된 세라믹스 회로 기판으로서, 은-구리계 땜납재층이 은 분말 75~98질량부 및 구리 분말 2~25질량부의 합계 100질량부에 대해 카본 파이버(탄소 섬유) 0.3~7.5질량부와, 티탄, 지르코늄, 하프늄, 니오브, 탄탈, 바나듐, 주석에서 선택되는 적어도 1종의 활성 금속 1.0~9.0질량부를 포함하는 은-구리계 땜납재로 구성되고, 상기 카본 파이버가 평균 길이 15~400μm, 평균 직경 5~25μm, 평균 애스펙트비 3~28인 것을 특징으로 하는 세라믹스 회로 기판.

Description

세라믹스 회로 기판{Ceramic circuit board}
본 발명은 높은 접합 강도 및 우수한 내열 사이클 특성을 겸비한 세라믹스 회로 기판에 관한 것이다.
파워 모듈 등에 이용되는 회로용 기판으로서 열전도율이나 비용, 안전성 등의 점에서 알루미나, 베릴리아, 질화 규소, 질화 알루미늄 등의 세라믹스 기판이 이용되고 있다. 이들 세라믹스 기판은 구리나 알루미늄 등의 금속 회로판이나 방열판을 접합하여 회로 기판으로서 이용된다. 이들은 수지 기판이나 수지층을 절연재로 하는 금속 기판에 대해 우수한 절연성 및 방열성 등을 가지기 때문에 고방열성 전자 부품을 탑재하기 위한 기판으로서 사용되고 있다.
엘리베이터, 차량, 하이브리드카 등의 파워 모듈 용도로는 세라믹스 기판의 표면에 금속 회로판을 땜납재로 접합하고, 나아가 금속 회로판의 소정의 위치에 반도체 소자를 탑재한 세라믹 회로 기판이 이용되고 있다. 최근에는 반도체 소자의 고집적화, 고주파화, 고출력화 등에 따른 반도체 소자로부터의 발열량 증가에 대해 높은 열전도율을 갖는 질화 알루미늄 소결체나 질화 규소 소결체의 세라믹스 기판이 사용되고 있다. 특히, 질화 알루미늄 기판은 질화 규소 기판과 비교하여 열전도율이 높기 때문에 고방열성 전자 부품을 탑재하기 위한 세라믹스 회로 기판으로서 적합하다.
그러나, 질화 알루미늄 기판은 높은 열전도율을 갖는 반면 기계적 강도나 인성 등이 낮기 때문에 어셈블리 공정에서의 조임에 의해 갈라짐이 발생하거나 열 사이클이 부가되었을 때에 크랙이 발생하기 쉬운 등의 어려움을 갖고 있다. 특히, 자동차나 전기 철도, 공작 기계나 로봇 등의 가혹한 하중, 열적 조건 하에서 적용되는 파워 모듈에 사용하는 경우에는 이 어려움이 현저해진다.
이 때문에 전자 부품 탑재용 세라믹스 기판으로서는 기계적인 신뢰성 향상이 요구되고, 질화 알루미늄 기판보다 열전도율은 떨어지지만 기계적 강도나 인성이 우수한 질화 규소 기판이 주목받고 있다.
질화 규소 기판을 사용한 세라믹스 회로 기판은 예를 들어 이하에 나타내는 활성 금속법에 의해 제작된다.
활성 금속법은 4A족 원소나 5A족 원소와 같은 활성 금속을 포함하는 땜납재층을 통해 세라믹스 기판 상에 금속판을 접합하는 방법으로, 일반적으로 은-구리-티탄계 땜납재를 질화 규소 기판의 양 주요면에 스크린 인쇄하고, 이 인쇄면 상에 금속 회로판 및 금속 방열판을 배치하고 적당한 온도로 가열 처리함으로써 세라믹스 기판과 금속판을 접합한다.
이와 같이 하여 얻어진 세라믹스 회로 기판은 활성 금속인 Ti와 질화물계 세라믹스 기판의 N이 공유 결합하여 TiN(질화 티탄)이 되고, 이 TiN에 의해 접합층을 형성하기 때문에 어느 정도의 높은 접합 강도를 얻을 수 있다.
한편, 차재용 반도체 모듈 등에서는 고출력화, 고집적화가 진행되어 세라믹스 회로 기판에 반복하여 걸리는 열 스트레스가 보다 증대하는 경향이 있다. 이 열 스트레스에 견딜 수 없게 되면 세라믹스 기판에 미소 크랙이 발생한다. 이 미소 크랙이 발생한 채로 열 부하 사이클이 계속 걸린 경우, 금속판이 세라믹스 기판으로부터 벗겨져 접합 강도 불량 또는 열 저항 불량을 초래한다. 그 결과, 전자 기기로서의 동작 신뢰성이 저하되는 등의 문제를 가진다. 이로부터 열 스트레스에 견딜 수 있는 세라믹스 회로 기판의 땜납재 구성에 관해 이하와 같은 제안이 이루어져 있다.
특허문헌 1에는 세라믹스 회로 기판의 내열 사이클 특성 향상을 목적으로 하여 세라믹스 기판과 금속판을 접합하는 땜납재에 카본 분말을 함유시키는 것이 효과적이라고 기재되어 있다.
특허문헌 1: 일본공개특허 평9-283656
그러나, 최근 차재용 반도체 모듈 등에서는 추가적인 고출력화, 고집적화가 급속히 진행되고, 세라믹스 회로 기판에는 방열성 향상을 목적으로 한 두꺼운 금속판과 열저항 저감을 목적으로 한 얇은 세라믹스 기판으로 이루어지는 구성이 요구되고 있다. 금속판이 두꺼운 경우 세라믹스 기판과 금속판의 접합 계면에 발생하는 열팽창률 차이 기인의 열 스트레스가 한층 더 심해지기 때문에 열 사이클이 부가되었을 때에 세라믹스 기판에 미소 크랙이 발생하기 쉬워진다.
나아가 열 사이클 특성을 평가하는 히트 사이클 평가는 일반적으로 -40℃에서 125℃의 온도 폭인데, 앞으로 차세대 파워 디바이스로서 기대되는 SiC나 GaN 등의 와이드 밴드 갭 반도체를 탑재한 디바이스에서는 동작 온도가 높아지기 때문에 열 스트레스는 높아질 뿐이다.
이러한 문제는 세라믹스 기판을 질화 규소 기판으로 한 경우나 특허문헌 1에 개시된 땜납재층 중에 카본 분말을 함유시킨 세라믹스 회로 기판에서도 만족이라고 할 수 없는 상태이다.
나아가 땜납재 중에 함유하는 비섬유상 카본 분말은 동일한 탄소 원자로 이루어지는 탄소 성분 간인 흑연(그래파이트) 분말이나 다이아몬드 분말 등 중에서도 낮은 열전도율을 가지기 때문에 세라믹스 회로 기판의 방열성을 저해할 가능성이 있어 바람직하지 않다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 높은 접합 강도와 우수한 내열 사이클성을 가지며 전자 기기로서의 동작 신뢰성을 향상시킴과 동시에 방열성이 우수한 세라믹스 회로 기판을 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위해 면밀히 검토한 결과, 세라믹스 기판과 금속판을 접합하는 땜납재의 열팽창률을 세라믹스 기판에 가깝게 함으로써 회로 기판의 열 사이클 특성이 향상될 수 있다는 지견을 얻은 것이다. 나아가 땜납재 중에 함유하는 탄소 성분을 카본 파이버(탄소 섬유)로 함으로써 방열성이 우수한 세라믹스 회로 기판을 얻는다는 지견을 얻어 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명은 세라믹스 기판의 양 주요면과 금속판이 은-구리계 땜납재층을 통해 접합된 세라믹스 회로 기판으로서, 은-구리계 땜납재층이 은 분말 75~98질량부 및 구리 분말 2~25질량부의 합계 100질량부에 대해 카본 파이버(탄소 섬유) 0.3~7.5질량부와, 티탄, 지르코늄, 하프늄, 니오브, 탄탈, 바나듐 및 주석에서 선택되는 적어도 1종의 활성 금속 1.0~9.0질량부를 포함하는 은-구리계 땜납재로 구성되고, 상기 카본 파이버가 평균 길이 15~400μm, 평균 직경 5~25μm 이하, 평균 애스펙트비 3~28인 것을 특징으로 하는 세라믹스 회로 기판이다.
「세라믹스 기판의 양 주요면과 금속판이 은-구리계 땜납재층을 통해 접합된」이란 세라믹스 기판의 양 주요면에 각각 금속판이 은-구리계 땜납재층을 통해 접합되어 있는 것을 의미한다.
본 발명에 의하면 높은 접합성을 가지며 나아가 -40℃에서 150℃의 히트 사이클 시험 2000사이클에서 크랙율 1% 미만의 질화 규소 회로 기판을 제조하는 것이 가능하다.
본 발명의 세라믹스 회로 기판에 사용되는 세라믹스 기판으로서는 특별히 한정되는 것은 아니고, 질화 규소, 질화 알루미늄 등의 질화물계 세라믹스, 산화 알루미늄, 산화 지르코늄 등의 산화물계 세라믹스, 탄화 규소 등의 탄화물계 세라믹스, 붕화 란탄 등의 붕화물계 세라믹스 등으로 사용할 수 있다. 단, 금속판을 활성 금속법으로 세라믹스 기판에 접합하기 위해 질화 알루미늄, 질화 규소 등의 비산화물계 세라믹스가 적합하고, 나아가 우수한 기계 강도, 파괴 인성의 관점에서 질화 규소 기판이 바람직하다.
본 발명의 세라믹스 기판의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 0.1~3.0mm 정도의 것이 일반적이고, 특히 회로 기판 전체의 열저항률 저감을 고려하면 1.0mm 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.4mm 이하이다.
본 발명의 금속판에 사용하는 금속은 구리, 알루미늄, 철, 니켈, 크롬, 은, 몰리브덴, 코발트 단체(單體) 또는 그 합금 등 활성 금속법을 적용할 수 있는 금속이면 특별히 한정은 없지만, 특히 도전성, 방열성 관점에서 구리판이 바람직하다.
본 발명의 구리판의 순도는 90% 이상인 것이 바람직하고, 순도가 90%보다 낮은 경우 세라믹스 기판과 구리판을 접합할 때 구리판과 땜납재의 반응이 불충분해지거나 구리판이 딱딱해져 회로 기판의 신뢰성이 저하되는 경우가 있다.
본 발명의 구리판의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 0.1~1.5mm의 것이 일반적이고, 특히 방열성 관점에서 0.3mm 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5mm 이상이다.
본 발명의 땜납재층은 카본 파이버(탄소 섬유)와, 티탄, 지르코늄, 하프늄, 니오브, 탄탈, 바나듐, 주석에서 선택되는 적어도 1종의 활성 금속을 함유하는 은-구리계 땜납재로 구성된다. 은-구리계 땜납재의 조성비는 공정 조성을 생성하기 쉬운 조성비로 설정하는 것이 바람직하고, 특히 회로 구리판 및 방열 구리판으로부터 구리가 녹아드는 것을 고려한 조성이 바람직하다. 은 분말과 구리 분말의 합계 100질량부에 있어서 은 분말이 75~98질량부, 구리 분말이 2~25질량부가 적합하다. 은 분말의 양이 75~98질량부 이외인 경우 땜납재의 융해 온도가 상승하기 때문에 접합시의 열팽창률 차이에 유래하는 열 스트레스가 증가하고 내열 사이클성이 저하되기 쉽다.
본 발명의 땜납재층을 구성하는 땜납재 중에 함유하는 카본 파이버(탄소 섬유)의 양은 은 분말이 75~98질량부 및 구리 분말이 2~25질량부인 합계 100질량부에 대해 0.3~7.5질량부가 바람직하고, 0.5~3.5가 보다 바람직하다. 카본 파이버(탄소 섬유)의 배합량이 0.3질량부 미만인 경우는 땜납재의 열팽창률 저하가 작고 회로 기판의 열 사이클 특성 개선에의 기여가 작다. 한편, 7.5질량부보다 큰 경우는 세라믹스 기판과 금속판의 접합 강도가 저하되어 바람직하지 않다.
카본 파이버(탄소 섬유)가 15~400μm의 평균 길이, 5~25μm의 평균 직경, 3~28의 평균 애스펙트비인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 22~160μm의 평균 길이, 7.5~10μm의 평균 직경, 평균 애스펙트비 4~10이다. 평균 길이가 400μm보다 큰 경우, 평균 직경이 25μm보다 큰 경우, 평균 애스펙트비가 28보다 큰 경우, 땜납재 페이스트 중에 균일하게 분산시키는 것이 어려워진다. 또한, 평균 길이가 15μm보다 작은 경우, 평균 직경이 5μm보다 작은 경우, 평균 애스펙트비가 4보다 작은 경우, 세라믹스 기판과 금속판의 접합 강도가 저하되어 바람직하지 않다.
본 발명에 있어서, 「평균 길이」란 주사형 전자 현미경을 이용하여 20개 이상의 카본 파이버를 관측하고, 각 섬유의 길이를 화상 해석으로 계측하여 얻어지는 값의 평균값을 의미한다. 「평균 직경」이란 주사형 전자 현미경을 이용하여 20개 이상의 카본 파이버를 관측하고, 각 섬유의 직경을 화상 해석으로 계측하여 얻어지는 값의 평균값을 의미한다. 「평균 애스펙트비」란 상기 「평균 길이」를 상기 「평균 직경」으로 나눈 값을 의미한다.
카본 파이버(탄소 섬유)의 종류는 피치계 카본 파이버 또는 폴리아크릴로니트릴계 카본 파이버이면 된다. 또한, 카본 파이버(탄소 섬유), 유기 결합제나 유기 용매 중에 함유되는 탄소 성분, 카본 분말, 다이아몬드 등 동일한 탄소 원자로 이루어지는 탄소 성분 간에도 그 물리 화학적 거동이나 기계적 성질은 전혀 다른 것은 주지 사실이다. 그러나, 예를 들어 비섬유상 카본 분말은 열전도율이 낮기 때문에 세라믹스 회로 기판의 방열성을 저해할 가능성이 있어 바람직하지 않다. 더욱이 내열 사이클 특성이 저하되는 경우가 있어 바람직하지 않다. 또한, 다이아몬드 분말에서는 열전도율은 우수하지만 비용이 높아져서 바람직하지 않다.
땜납재층을 구성하는 땜납재 중에 함유하는 활성 금속의 양은 은 분말이 72질량부 이상 및 구리 분말이 28질량부 이하인 합계 100질량부에 대해 1.0~9.0질량부가 바람직하고, 보다 바람직하게는 3.0~5.5질량부이다. 활성 금속의 배합량이 1.0질량부 미만인 경우는 세라믹스 기판과 땜납재의 젖음성이 양호하지 않아 접합 불량이 발생하기 쉽다. 한편, 활성 금속의 배합량이 9질량부를 넘으면, 접합 계면에 형성되는 취약한 활성 금속의 질화물층이 과잉이 되어 내열 사이클성이 저하된다. 또, 활성 금속은 티탄, 지르코늄, 하프늄, 니오브, 탄탈, 바나듐 및 주석 등의 금속에서 선택할 수 있지만, 이들 중에서도 티탄이 적합하다.
땜납재층을 구성하기 위해 도포하는 땜납재의 두께는 건조 기준으로 5~40μm가 바람직하다. 땜납재의 두께가 5μm 미만에서는 미반응 부분이 발생하는 경우가 있고, 한편 40μm를 넘으면 접합층을 제거하는 시간이 길어져 생산성이 저하되는 경우가 있다. 도포 방법은 특별히 한정되지 않고, 기판 표면에 균일하게 도포할 수 있는 스크린 인쇄법, 롤코터법 등의 공지의 도포 방법을 채용할 수 있다.
세라믹스 기판과 금속판의 접합은 진공 중에서 780℃~875℃의 온도, 10~60분의 시간으로 접합하는 것이 바람직하다. 접합 온도가 780℃보다 작은 경우 또는 접합 시간이 10분보다 짧은 경우 세라믹스 기판과 땜납재의 접합성이 저하된다. 한편, 접합 온도가 875℃보다 높은 경우 또는 접합 시간이 60분보다 긴 경우, 접합시의 열팽창률 차이에 유래하는 열 스트레스가 증가하여 내열 사이클성이 저하되기 쉽다.
회로 기판에 회로 패턴을 형성하기 위해 금속판에 에칭 레지스트를 도포하여 에칭한다. 에칭 레지스트에 관해 특별히 제한은 없고, 예를 들어 일반적으로 사용되고 있는 자외선 경화형이나 열 경화형의 것을 사용할 수 있다. 에칭 레지스트의 도포 방법에 관해서는 특별히 제한은 없고, 예를 들어 스크린 인쇄법 등의 공지의 도포 방법을 채용할 수 있다.
회로 패턴을 형성하기 위해 구리판의 에칭 처리를 행한다. 에칭액에 관해서도 특별히 제한은 없고, 일반적으로 사용되고 있는 염화 제2철 용액이나 염화 제2구리 용액, 황산, 과산화수소수 등을 사용할 수 있지만, 바람직한 것으로서 염화 제2철 용액이나 염화 제2구리 용액을 들 수 있다. 에칭에 의해 필요 없는 금속 부분을 제거한 질화물 세라믹스 회로 기판에는 도포한 땜납재, 그 합금층, 질화물층 등이 남아 있고, 할로겐화 암모늄 수용액, 황산, 질산 등의 무기산, 과산화수소수를 포함하는 용액을 이용하여 이들을 제거하는 것이 일반적이다. 회로 형성 후 에칭 레지스트의 박리를 행하는데, 박리 방법은 특별히 한정되지 않고, 알칼리 수용액에 침지시키는 방법 등이 일반적이다.
실시예
[실시예 1]
두께 0.25mm의 질화 규소 기판의 양 주요면에 은 분말(후쿠다 금속 박분 공업(주) 제품: AgC-BO) 90질량부 및 구리 분말(후쿠다 금속 박분 공업(주) 제품: SRC-Cu-20) 10질량부의 합계 100질량부에 대해 평균 길이가 120μm, 평균 직경이 15μm, 평균 애스펙트비가 8인 카본 파이버(탄소 섬유)(니폰 그래파이트 파이버(주) 제품: XN-100-15M)를 1.5질량부, 티탄((주) 오사카 티타늄 테크놀로지스 제품: TSH-350)을 3.5질량부 포함하는 활성 금속 땜납재를 도포하고, 회로면에 두께 1.0mm, 이면에 1.0mm의 무산소 구리판을 진공 조건으로 830℃, 20분의 조건으로 접합하였다.
접합한 회로 기판을 염화 구리를 포함하는 에칭액으로 에칭하여 회로를 형성하였다. 나아가 땜납재층을 불화 암모늄/과산화수소 에칭액으로 에칭하여 질화 규소 회로 기판을 제작하였다.
구리판과 질화 규소 기판의 접합성 및 회로 기판의 내히트 사이클 평가는 하기의 방법으로 평가하였다.
<구리판과 질화 규소 기판의 접합성>
구리판과 질화 규소 기판의 접합성은 필 강도 측정에 의해 평가하였다. 측정법은 다음과 같다. 질화 규소 기판에 접합된 구리 회로 패턴의 일부인 폭 5mm의 패턴의 끝을 펜치로 잡아떼어내고, 이 접합 기판을 인장 시험기의 받침대에 고정하고, 상기 패턴의 끝을 풀 시험기의 척에 장착하였다. 이 때, 질화 규소 기판의 표면과 잡아떼어내진 상기 구리 회로 패턴의 각도가 90°(연직 방향)가 되도록 설치한다. 그 후, 인장 시험기를 작동시켜 척을 통해 잡아떼어내진 상기 패턴을 상방으로 잡아당겨 이동시키고, 그 때의 최대 잡아떼어냄 하중을 측정하였다. 그 최대 잡아떼어냄 하중을 폭(0.5cm)으로 나누어 접합 강도를 산출하였다. 결과를 표 3에 나타낸다.
<내히트 사이클성의 평가>
제작한 질화 규소 회로 기판을 -40℃에서 30분, 25℃에서 10분, 150℃에서 30분, 25℃에서 10분을 1사이클로 하는 내히트 사이클 시험을 2000사이클 반복하여 시험을 행하였다. 그 후, 염화 구리액 및 불화 암모늄/과산화수소 에칭액을 이용하여 질화 규소 회로 기판으로부터 구리판 및 땜납재층을 박리하고, 질화 규소 기판 표면의 수평 크랙 면적을 화상 해석 소프트 GIMP2(문턱값 140)로 2치화하여 산출한 후, 수평 크랙 면적/회로 패턴 면적(즉, 수평 크랙 면적의 회로 패턴 면적에 대한 비율)으로부터 크랙율(%)을 산출하였다. 결과를 표 3에 나타낸다.
표 3에 나타내는 바와 같이, 질화 규소판에 구리판을 접합할 때에 실시예 1과 같이 은 분말 90질량부 및 구리 분말 10질량부의 합계 100질량부에 대해 카본 파이버의 평균 길이 120μm, 평균 직경 15μm 이하, 평균 애스펙트비 8인 카본 파이버(탄소 섬유)를 1.5질량부, 티탄을 3.5질량부 포함하는 배합으로 780℃~875℃의 온도, 10~60분의 시간으로 접합함으로써 접합성을 저하시키지 않고 내히트 사이클의 평가가 크랙율 0.01%인 회로 기판이 얻어지고, 크랙율 1% 이하인 회로 기판이 얻어지는 것이 실증되었다.
[실시예 2~24, 비교예 1~13]
표 1, 2에 나타내는 조건을 바꾼 것 이외에는 실시예 1과 같이 행하였다. 또, 비교예 13에서는 카본 파이버 대신에 비섬유상 카본 입자를 이용하였다. 구리판과 질화 규소 기판의 접합성 및 내히트 사이클성의 평가를 실시예 1과 같이 행하였다. 결과를 표 3, 4에 나타낸다.
Figure 112016081843993-pct00001
Figure 112016081843993-pct00002
Figure 112016081843993-pct00003
Figure 112016081843993-pct00004
표 3, 4에서 질화 규소판에 구리판을 접합할 때에 은 분말 75~98질량부 및 구리 분말 2~25질량부의 합계 100질량부에 대해 카본 파이버의 평균 길이 15~400μm, 평균 직경 5~25μm, 평균 애스펙트비 3~28인 카본 파이버(탄소 섬유)를 0.3~7.5질량부, 티탄, 지르코늄, 하프늄, 니오브, 탄탈, 바나듐 및 주석에서 선택되는 적어도 1종의 활성 금속을 1.0~9.0질량부 포함하는 배합으로 780℃~875℃의 온도, 10~60분의 시간으로 접합함으로써 접합성을 저하시키지 않고 내히트 사이클의 평가에서 크랙율 1% 이하인 회로 기판을 얻을 수 있었다.

Claims (1)

  1. 세라믹스 기판의 양 주요면과 금속판이 은-구리계 땜납재층을 통해 접합된 세라믹스 회로 기판으로서, 상기 은-구리계 땜납재층이 은 분말 75~98질량부 및 구리 분말 2~25질량부의 합계 100질량부에 대해 카본 파이버(탄소 섬유) 0.3~7.5질량부와, 티탄, 지르코늄, 하프늄, 니오브, 탄탈, 바나듐 및 주석에서 선택되는 적어도 1종의 활성 금속 1.0~9.0질량부를 포함하는 은-구리계 땜납재로 구성되고, 상기 카본 파이버가 평균 길이 15~400μm, 평균 직경 5~25μm, 평균 애스펙트비 3~28인 것을 특징으로 하는 세라믹스 회로 기판.
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