KR102409815B1

KR102409815B1 - 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및 절연 회로 기판의 제조 방법

Info

Publication number: KR102409815B1
Application number: KR1020217004791A
Authority: KR
Inventors: 노부유키 데라사키
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2018-08-28
Filing date: 2019-08-27
Publication date: 2022-06-15
Also published as: EP3845511A1; WO2020044594A1; TWI801652B; TW202017118A; CN112654593A; KR20210043586A; EP3845511A4; WO2020045403A1; CN112654593B; JPWO2020045403A1; TW202021055A; US20210238103A1; JP7008188B2

Abstract

구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재 (22) 와, 질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 부재 (11) 가 접합되어 이루어지는 구리/세라믹스 접합체로서, 구리 부재 (22) 와 세라믹스 부재 (11) 사이에, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층 (32) 이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및 절연 회로 기판의 제조 방법

본 발명은, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 부재가 접합되어 이루어지는 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법에 관한 것이다.

본원은, 2018년 8월 28일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2018-159457호에 대하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

파워 모듈, LED 모듈 및 열전 모듈에 있어서는, 절연층의 일방의 면에 도전 재료로 이루어지는 회로층을 형성한 절연 회로 기판에, 파워 반도체 소자, LED 소자 및 열전 소자가 접합된 구조로 되어 있다.

예를 들어, 풍력 발전, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등을 제어하기 위해 사용되는 대 (大) 전력 제어용의 파워 반도체 소자는, 동작시의 발열량이 많은 점에서, 이것을 탑재하는 기판으로는, 예를 들어 질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 도전성이 우수한 금속판을 접합하여 형성한 회로층을 구비한 절연 회로 기판이, 종래부터 널리 사용되고 있다. 절연 회로 기판으로는, 세라믹스 기판의 타방의 면에 금속판을 접합하여 금속층을 형성한 것도 제공되고 있다.

예를 들어, 특허문헌 1 에는, 회로층 및 금속층을 구성하는 제 1 금속판 및 제 2 금속판을 구리판으로 하고, 이 구리판을 DBC 법에 의해 세라믹스 기판에 직접 접합한 절연 회로 기판이 제안되어 있다. 이 DBC 법에 있어서는, 구리와 구리 산화물의 공정 (共晶) 반응을 이용하여, 구리판과 세라믹스 기판의 계면에 액상을 발생시킴으로써, 구리판과 세라믹스 기판을 접합하고 있다.

또, 특허문헌 2 에는, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, 구리판을 접합함으로써 회로층 및 금속층을 형성한 절연 회로 기판이 제안되어 있다. 이 절연 회로 기판에 있어서는, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, Ag-Cu-Ti 계 브레이징재를 개재시켜 구리판을 배치하고, 가열 처리를 실시함으로써 구리판이 접합되어 있다 (이른바 활성 금속 브레이징법). 이 활성 금속 브레이징법에서는, 활성 금속인 Ti 가 함유된 브레이징재를 사용하고 있기 때문에, 용융한 브레이징재와 세라믹스 기판의 젖음성이 향상되어, 세라믹스 기판과 구리판이 양호하게 접합되게 된다.

또한, 특허문헌 3 에는, 고온의 질소 가스 분위기하에서 구리판과 세라믹스 기판을 접합할 때에 사용되는 접합용 브레이징재로서, Cu-Mg-Ti 합금으로 이루어지는 분말을 함유하는 페이스트가 제안되어 있다. 이 특허문헌 3 에 있어서는, 질소 가스 분위기하에서 560 ∼ 800 ℃ 에서 가열함으로써 접합하는 구성으로 되어 있고, Cu-Mg-Ti 합금 중의 Mg 는 승화하여 접합 계면에는 잔존하지 않으며, 또한, 질화티탄 (TiN) 이 실질적으로 형성되지 않는 것으로 되어 있다.

일본 공개특허공보 평04-162756호 일본 특허공보 제3211856호 일본 특허공보 제4375730호

그러나, 특허문헌 1 에 개시되어 있는 바와 같이, DBC 법에 의해 세라믹스 기판과 구리판을 접합하는 경우에는, 접합 온도를 1065 ℃ 이상 (구리와 구리 산화물의 공정점 온도 이상) 으로 할 필요가 있는 점에서, 접합시에 세라믹스 기판이 열화될 우려가 있었다. 또, 질소 가스 분위기 등에서 접합한 경우에는, 접합 계면에 분위기 가스가 잔존하고, 부분 방전이 발생하기 쉽다는 문제가 있었다.

특허문헌 2 에 개시되어 있는 바와 같이, 활성 금속 브레이징법에 의해 세라믹스 기판과 구리판을 접합하는 경우에는, 브레이징재가 Ag 를 함유하고 있고, 접합 계면에 Ag 가 존재하는 점에서, 마이그레이션이 생기기 쉽고, 고내압 용도에는 사용할 수 없었다. 또, 접합 온도가 900 ℃ 로 비교적 고온으로 되어 있는 점에서, 세라믹스 기판이 열화될 우려가 있었다. 또한, 세라믹스 기판의 접합면 근방에, 티탄 질화물상 (相) 이나 Ti 를 포함하는 금속간 화합물상 (相) 이 생성되고, 고온 동작시에 세라믹 기판에 균열이 발생할 우려가 있었다.

특허문헌 3 에 개시되어 있는 바와 같이, Cu-Mg-Ti 합금으로 이루어지는 분말을 함유하는 페이스트로 이루어지는 접합용 브레이징재를 사용하여 질소 가스 분위기하에서 접합한 경우에는, 접합 계면에 가스가 잔존하고, 부분 방전이 발생하기 쉽다는 문제가 있었다. 또, 페이스트에 포함되는 유기물이 접합 계면에 잔존하고, 접합이 불충분해질 우려가 있었다. 또한, 세라믹스 기판의 접합면 근방에, Ti 를 포함하는 금속간 화합물상이 생성되고, 고온 동작시에 세라믹 기판에 균열이 발생할 우려가 있었다.

본 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합됨과 함께, 내마이그레이션성이 우수하며, 또한, 고온 동작시에 있어서의 세라믹스 균열의 발생을 억제할 수 있는 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및 상기 서술한 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 과제를 해결하여, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 구리/세라믹스 접합체는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 부재가 접합되어 이루어지는 구리/세라믹스 접합체로서, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에, Cu 의 모상 (母相) 중에 Mg 가 고용 (固溶) 된 Mg 고용층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

이 구성의 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와 질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 부재 사이에, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있기 때문에, 세라믹스 부재와 구리 부재 사이에 배치 형성된 Mg 가 구리 부재 측으로 충분히 확산되어 있고, 또한, Cu 와 Mg 가 충분히 반응되어 있게 된다. 따라서, 구리 부재와 세라믹스 부재의 접합 계면에 있어서 계면 반응이 충분히 진행되어 있어, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합된 구리/세라믹스 접합체를 얻을 수 있다. 또, Cu 부재와 세라믹스 부재의 접합 계면에, Ti, Zr, Nb, Hf 가 존재하고 있지 않기 때문에, Ti, Zr, Nb, Hf 의 질화물상이나 Ti, Zr, Nb, Hf 를 포함하는 금속간 화합물상이 생성되지 않고, 고온 동작시에 있어서도 세라믹스 부재의 균열을 억제할 수 있다.

또한, Cu 부재와 세라믹스 부재의 접합 계면에 Ag 가 존재하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성도 우수하다.

본 발명의 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 세라믹스 부재의 접합면으로부터 상기 구리 부재 측을 향하여 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 금속간 화합물상의 면적률이 15 ％ 이하인 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 세라믹스 부재의 접합면으로부터 상기 구리 부재 측을 향하여 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 금속간 화합물상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있기 때문에, 세라믹스 부재의 접합면 근방에, 딱딱하여 부서지기 쉬운 금속간 화합물상이 많이 존재하지 않고, 고온 동작시의 세라믹스 부재의 균열을 확실하게 억제할 수 있게 된다.

본 발명의 절연 회로 기판은, 질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 기판의 표면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합되어 이루어지는 절연 회로 기판으로서, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판 사이에, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

이 구성의 절연 회로 기판에 있어서는, 구리판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합됨과 함께, 내마이그레이션성이 우수하고, 고내압 조건하에 있어서도 신뢰성 높게 사용할 수 있다.

고온 동작시에 있어서의 세라믹스 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있고, 고온 조건하에 있어서도 신뢰성 높게 사용할 수 있다.

본 발명의 절연 회로 기판에 있어서는, 상기 세라믹스 기판의 접합면으로부터 상기 구리판 측을 향하여 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 금속간 화합물상의 면적률이 15 ％ 이하인 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 세라믹스 기판의 접합면으로부터 상기 구리판 측을 향하여 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 금속간 화합물상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있기 때문에, 세라믹스 기판의 접합면 근방에, 딱딱하여 부서지기 쉬운 금속간 화합물상이 많이 존재하지 않고, 고온 동작시의 세라믹스 기판의 균열을 확실하게 억제할 수 있게 된다.

본 발명의 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법은, 상기 서술한 구리/세라믹스 접합체를 제조하는 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법으로서, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에, Mg 를 배치하는 Mg 배치 공정과, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를 Mg 를 개재하여 적층하는 적층 공정과, Mg 를 개재하여 적층된 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정을 구비하고 있고, 상기 Mg 배치 공정에서는, Mg 량을 0.17 mg/㎠ 이상 3.48 mg/㎠ 이하의 범위 내로 하는 것을 특징으로 하고 있다.

이 구성의 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법에 의하면, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에 Mg 를 배치하고, 이들을 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에서 가열 처리하기 때문에, 접합 계면에 가스나 유기물의 잔류물 등이 잔존하는 경우가 없다.

Mg 배치 공정에서는, Mg 량을 0.17 mg/㎠ 이상 3.48 mg/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있기 때문에, 계면 반응에 필요한 액상을 충분히 얻을 수 있다. 따라서, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합된 구리/세라믹스 접합체를 얻을 수 있게 된다.

접합에 Ti, Zr, Nb, Hf 를 사용하고 있지 않기 때문에, 세라믹스 부재의 접합면 근방에, Ti, Zr, Nb, Hf 의 질화물상이나, Ti, Zr, Nb, Hf 를 포함하는 금속간 화합물상이 존재하지 않고, 고온 동작시에 있어서의 세라믹스 부재의 균열을 억제 가능한 구리/세라믹스 접합체를 얻을 수 있다.

접합에 Ag 를 사용하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성이 우수한 구리/세라믹스 접합체를 얻을 수 있다.

본 발명의 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법에 있어서는, 상기 접합 공정에 있어서의 가압 하중이 0.049 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하의 범위 내로 되고, 가열 온도가 500 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 접합 공정에 있어서의 가압 하중이 0.049 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하의 범위 내로 되어 있기 때문에, 세라믹스 부재와 구리 부재와 Mg 를 밀착시킬 수 있고, 가열시에 이들의 계면 반응을 촉진시킬 수 있다.

상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도를 Cu 와 Mg 의 공정 온도보다 높은 500 ℃ 이상으로 하고 있기 때문에, 접합 계면에 있어서 충분히 액상을 발생시킬 수 있다. 한편, 상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도를 850 ℃ 이하로 하고 있기 때문에, 액상이 과잉으로 생성되는 것을 억제할 수 있다. 또, 세라믹스 부재에 대한 열 부하가 작아져, 세라믹스 부재의 열화를 억제할 수 있다.

본 발명의 절연 회로 기판의 제조 방법은, 상기 서술한 절연 회로 기판을 제조하는 절연 회로 기판의 제조 방법으로서, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판 사이에, Mg 를 배치하는 Mg 배치 공정과, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판을 Mg 를 개재하여 적층하는 적층 공정과, Mg 를 개재하여 적층된 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판을 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정을 구비하고 있고, 상기 Mg 배치 공정에서는, Mg 량을 0.17 mg/㎠ 이상 3.48 mg/㎠ 이하의 범위 내로 하는 것을 특징으로 하고 있다.

이 구성의 절연 회로 기판의 제조 방법에 의하면, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판 사이에 Mg 를 배치하고, 이들을 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에서 가열 처리하기 때문에, 접합 계면에 가스나 유기물의 잔류물 등이 잔존하는 경우가 없다.

Mg 배치 공정에서는, Mg 량을 0.17 mg/㎠ 이상 3.48 mg/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있기 때문에, 계면 반응에 필요한 액상을 충분히 얻을 수 있다. 따라서, 구리판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합된 절연 회로 기판을 얻을 수 있게 된다. 또, 접합에 Ti, Zr, Nb, Hf 를 사용하고 있지 않기 때문에, 세라믹스 기판의 접합면 근방에, Ti, Zr, Nb, Hf 의 질화물상이나 Ti, Zr, Nb, Hf 를 포함하는 금속간 화합물상이 존재하지 않고, 고온 동작시에 있어서의 세라믹스 기판의 균열을 억제 가능한 절연 회로 기판을 얻을 수 있다.

접합에 Ag 를 사용하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성이 우수한 절연 회로 기판을 얻을 수 있다.

본 발명의 절연 회로 기판의 제조 방법에 있어서는, 상기 접합 공정에 있어서의 가압 하중이 0.049 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하의 범위 내로 되고, 가열 온도가 500 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 접합 공정에 있어서의 가압 하중이 0.049 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하의 범위 내로 되어 있기 때문에, 세라믹스 기판과 구리판과 Mg 를 밀착시킬 수 있고, 가열시에 이들의 계면 반응을 촉진시킬 수 있다.

상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도를 Cu 와 Mg 의 공정 온도보다 높은 500 ℃ 이상으로 하고 있기 때문에, 접합 계면에 있어서 충분히 액상을 발생시킬 수 있다. 한편, 상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도를 850 ℃ 이하로 하고 있기 때문에, 액상이 과잉으로 생성되는 것을 억제할 수 있다. 또, 세라믹스 기판에 대한 열 부하가 작아져, 세라믹스 기판의 열화를 억제할 수 있다.

본 발명에 의하면, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합됨과 함께, 내마이그레이션성이 우수하며, 또한, 고온 동작시에 있어서의 세라믹스 균열의 발생을 억제할 수 있는 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및 상기 서술한 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법을 제공할 수 있게 된다.

도 1 은, 본 발명의 실시형태인 절연 회로 기판 (구리/세라믹스 접합체) 을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태인 절연 회로 기판 (구리/세라믹스 접합체) 의 회로층 (구리 부재) 및 금속층 (구리 부재) 과 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) 의 접합 계면의 모식도이다.
도 3 은, 본 발명의 실시형태인 절연 회로 기판 (구리/세라믹스 접합체) 의 제조 방법을 나타내는 플로도이다.
도 4 는, 본 발명의 실시형태인 절연 회로 기판 (구리/세라믹스 접합체) 의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 5 는, 본 발명예 1 의 구리/세라믹스 접합체에 있어서의 구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면의 관찰 결과이다.

이하에, 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

본 실시형태에 관련된 구리/세라믹스 접합체는, 세라믹스 부재인 세라믹스 기판 (11) 과, 구리 부재인 구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 이 접합됨으로써 구성된 절연 회로 기판 (10) 으로 되어 있다.

도 1 에, 본 발명의 실시형태인 절연 회로 기판 (10) 및 이 절연 회로 기판 (10) 을 사용한 파워 모듈 (1) 을 나타낸다.

이 파워 모듈 (1) 은, 절연 회로 기판 (10) 과, 이 절연 회로 기판 (10) 의 일방측 (도 1 에 있어서 상측) 에 제 1 솔더층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 절연 회로 기판 (10) 의 타방측 (도 1 에 있어서 하측) 에 제 2 솔더층 (8) 을 개재하여 접합된 히트 싱크 (51) 를 구비하고 있다.

절연 회로 기판 (10) 은, 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 면 (도 1 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (13) 을 구비하고 있다.

세라믹스 기판 (11) 은, 회로층 (12) 과 금속층 (13) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 본 실시형태에서는, 절연성이 높은 질화알루미늄으로 구성되어 있다. 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.2 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는 0.635 ㎜ 가 바람직하다.

회로층 (12) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (22) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 을 구성하는 구리판 (22) 으로서, 무산소 구리의 압연판이 사용되고 있다. 이 회로층 (12) 에는, 회로 패턴이 형성되어 있고, 그 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 이, 반도체 소자 (3) 가 탑재되는 탑재면으로 되어 있다. 회로층 (12) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 회로층 (12) 의 두께는 0.6 ㎜ 가 바람직하다.

금속층 (13) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (23) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 을 구성하는 구리판 (23) 으로서, 무산소 구리의 압연판이 사용되고 있다. 금속층 (13) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 금속층 (13) 의 두께는 0.6 ㎜ 가 바람직하다.

히트 싱크 (51) 는, 전술한 절연 회로 기판 (10) 을 냉각하기 위한 것이고, 본 실시형태에 있어서는, 열전도성이 양호한 재질로 구성된 방열판으로 되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 히트 싱크 (51) 는, 열전도성이 우수한 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 히트 싱크 (51) 와 절연 회로 기판 (10) 의 금속층 (13) 은, 제 2 솔더층 (8) 을 개재하여 접합되어 있다.

세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (구리판 (22)), 및 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) (구리판 (23)) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, Mg 막 (25) 을 개재하여 접합되어 있다.

세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (구리판 (22)) 의 접합 계면 및 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) (구리판 (23)) 의 접합 계면에는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층 (32) 이 형성되어 있다.

이 Mg 고용층 (32) 에 있어서의 Mg 의 함유량은, 0.01 원자％ 이상 3 원자％ 이하의 범위 내로 되어 있다. Mg 고용층 (32) 의 두께는, 0.1 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있고, 바람직하게는, 0.1 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다.

이 Mg 고용층 (32) 은, 회로층 (12) (금속층 (13)) 으로부터 세라믹스 기판 (11) 측으로 향함에 따라 점차 Mg 농도가 높아지는 농도 구배를 가지고 있다.

본 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면으로부터 구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 측을 향하여 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 금속간 화합물상의 면적률이 15 ％ 이하인 것이 바람직하다.

상기 서술한 바와 같이, 접합 계면에 있어서의 금속간 화합물상의 면적률이 억제되어 있으면, Mg 고용층 (32) 의 내부에는, Cu 와 Mg 를 포함하는 Cu-Mg 금속간 화합물상이 분산되어 있어도 된다. Cu-Mg 금속간 화합물상으로는, 예를 들어 Cu₂Mg, CuMg₂ 등을 들 수 있다.

다음으로, 상기 서술한 본 실시형태인 절연 회로 기판 (10) 의 제조 방법에 대하여, 도 3 및 도 4 를 참조하여 설명한다.

(Mg 배치 공정 (S01))

도 4 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (12) 이 되는 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 사이, 및 금속층 (13) 이 되는 구리판 (23) 과 세라믹스 기판 (11) 사이에, 각각 Mg 를 배치한다. 본 실시형태에서는, Mg 를 증착함으로써, Mg 막 (25) 을 형성하고 있다.

이 Mg 배치 공정 (S01) 에서는, 배치하는 Mg 량을 0.17 mg/㎠ 이상 3.48 mg/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있다.

(적층 공정 (S02))

다음으로, 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 을, Mg 막 (25) 을 개재하여 적층함과 함께, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (23) 을, Mg 막 (25) 을 개재하여 적층한다.

(접합 공정 (S03))

다음으로, 적층된 구리판 (22), 세라믹스 기판 (11), 구리판 (23) 을, 적층 방향으로 가압함과 함께, 진공로 내에 장입하고 가열하여, 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (23) 을 접합한다.

접합 공정 (S03) 에 있어서의 가압 하중은, 0.049 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

접합 공정 (S03) 에 있어서의 가열 온도는, 500 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

접합 공정 (S03) 에 있어서의 진공도는, 1 × 10^-6 Pa 이상 5 × 10^-2 Pa 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

가열 온도에서의 유지 시간은, 5 min 이상 180 min 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

가열 온도 (접합 온도) 로부터 480 ℃ 까지 강온할 때의 강온 속도는, 특별히 한정되지 않지만, 25 ℃/min 이하가 바람직하고, 20 ℃/min 이하가 더욱 바람직하다. 또, 강온 속도의 하한치는, 특별히 한정되지 않지만, 3 ℃/min 이상으로 해도 되고, 5 ℃/min 이상으로 해도 된다.

이상과 같이, Mg 배치 공정 (S01) 과, 적층 공정 (S02) 과, 접합 공정 (S03) 에 의해, 본 실시형태인 절연 회로 기판 (10) 이 제조된다.

(히트 싱크 접합 공정 (S04))

다음으로, 절연 회로 기판 (10) 의 금속층 (13) 의 타방의 면측에 히트 싱크 (51) 를 접합한다. 절연 회로 기판 (10) 과 히트 싱크 (51) 를, 솔더링재를 개재하여 적층하고 가열로에 장입하고, 제 2 솔더층 (8) 을 개재하여 절연 회로 기판 (10) 과 히트 싱크 (51) 를 솔더 접합한다.

(반도체 소자 접합 공정 (S05))

다음으로, 절연 회로 기판 (10) 의 회로층 (12) 의 일방의 면에, 반도체 소자 (3) 를 솔더링에 의해 접합한다.

이상의 공정에 의해, 도 1 에 나타내는 파워 모듈 (1) 이 제조된다.

이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태의 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 에 의하면, 무산소 구리로 이루어지는 구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 과 질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 기판 (11) 이 Mg 막 (25) 을 개재하여 접합되어 있고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (구리판 (22)) 사이, 및 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) (구리판 (23)) 사이에는, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층 (32) 이 형성되어 있기 때문에, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 사이에 배치 형성된 Mg 가, 구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 측으로 충분히 확산되어 있고, 또한, Cu 와 Mg 가 충분히 반응되어 있게 된다. 따라서, 접합 계면에 있어서 계면 반응이 충분히 진행되어 있어, 구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 과 세라믹스 기판 (11) 이 확실하게 접합된 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻을 수 있다.

구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면에 Ti, Zr, Nb, Hf 가 존재하고 있지 않기 때문에, Ti, Zr, Nb, Hf 의 질화물상이나 Ti, Zr, Nb, Hf 를 포함하는 금속간 화합물상이 생성되지 않고, 고온 동작시에 있어서도 세라믹스 기판 (11) 의 균열을 억제할 수 있다. 구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면에 있어서의 Ti, Zr, Nb, Hf 의 합계 함유량은 0.3 mass％ 이하인 것이 바람직하고, 0.1 mass％ 이하인 것이 더욱 바람직하다.

세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 의 접합 계면에 Ag 가 존재하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성이 우수하다. 구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면에 있어서의 Ag 의 함유량은 0.2 mass％ 이하인 것이 바람직하고, 0.1 mass％ 이하인 것이 더욱 바람직하다.

본 실시형태에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면으로부터 구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 측을 향하여 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 금속간 화합물상의 면적률이 15 ％ 이하인 경우에는, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면 근방에, 딱딱하여 부서지기 쉬운 금속간 화합물상이 많이 존재하지 않고, 고온 동작시의 세라믹스 기판 (11) 의 균열을 확실하게 억제할 수 있게 된다.

세라믹스 기판 (11) 의 접합면으로부터 구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 측을 향하여 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 금속간 화합물상의 면적률은, 10 ％ 이하인 것이 바람직하고, 8 ％ 이하인 것이 더욱 바람직하다.

본 실시형태의 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 의 제조 방법에 의하면, 구리판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 사이에 Mg (Mg 막 (25)) 를 배치하는 Mg 배치 공정 (S01) 과, Mg 막 (25) 을 개재하여 구리판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 을 적층하는 적층 공정 (S02) 과, 적층된 구리판 (22), 세라믹스 기판 (11), 구리판 (23) 을, 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정 (S03) 을 구비하고 있기 때문에, 접합 계면에 가스나 유기물의 잔류물 등이 잔존하는 경우가 없다.

Mg 배치 공정 (S01) 에서는, Mg 량을 0.17 mg/㎠ 이상 3.48 mg/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있기 때문에, 계면 반응에 필요한 액상을 충분히 얻을 수 있다. 따라서, 구리판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 이 확실하게 접합된 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻을 수 있다.

접합에 Ti, Zr, Nb, Hf 를 사용하고 있지 않기 때문에, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면 근방에, Ti, Zr, Nb, Hf 의 질화물상이나 Ti, Zr, Nb, Hf 를 포함하는 금속간 화합물상이 존재하지 않고, 고온 동작시에 있어서의 세라믹스 기판 (11) 의 균열을 억제 가능한 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻을 수 있다.

접합에 Ag 를 사용하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성이 우수한 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻을 수 있다.

Mg 량이 0.17 mg/㎠ 미만인 경우에는, 발생하는 액상의 양이 부족하여, 접합률이 저하될 우려가 있었다. 또, Mg 량이 3.48 mg/㎠ 를 초과하는 경우에는, 발생하는 액상의 양이 과잉이 되어, 액상이 접합 계면으로부터 누출되고, 소정 형상의 접합체를 제조하지 못할 우려가 있다. 또, Cu-Mg 금속간 화합물상이 과잉으로 생성되고, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 생길 우려가 있었다.

이상으로부터, 본 실시형태에서는, Mg 량을 0.17 mg/㎠ 이상 3.48 mg/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있다.

Mg 량의 하한은, 0.24 mg/㎠ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.32 mg/㎠ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, Mg 량의 상한은, 2.38 mg/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하고, 1.58 mg/㎠ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

본 실시형태에 있어서는, 접합 공정 (S03) 에 있어서의 가압 하중이 0.049 ㎫ 이상으로 되어 있기 때문에, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22, 23) 과 Mg 막 (25) 을 밀착시킬 수 있고, 가열시에 이들의 계면 반응을 촉진시킬 수 있다. 접합 공정 (S03) 에 있어서의 가압 하중이 3.4 ㎫ 이하로 되어 있기 때문에, 접합 공정 (S03) 에 있어서의 세라믹스 기판 (11) 의 균열 등을 억제할 수 있다.

접합 공정 (S03) 에 있어서의 가압 하중의 하한은, 0.098 ㎫ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.294 ㎫ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 접합 공정 (S03) 에 있어서의 가압 하중의 상한은, 1.96 ㎫ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.98 ㎫ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

본 실시형태에서는, 접합 공정 (S03) 에 있어서의 가열 온도를, Cu 와 Mg 의 공정 온도보다 높은 500 ℃ 이상으로 하고 있기 때문에, 접합 계면에 있어서 충분히 액상을 발생시킬 수 있다. 한편, 접합 공정 (S03) 에 있어서의 가열 온도를 850 ℃ 이하로 하고 있기 때문에, 액상이 과잉으로 생성되는 것을 억제할 수 있다. 또, 세라믹스 기판 (11) 에 대한 열 부하가 작아져, 세라믹스 기판 (11) 의 열화를 억제할 수 있다.

접합 공정 (S03) 에 있어서의 가열 온도의 하한은, 600 ℃ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 680 ℃ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 접합 공정 (S03) 에 있어서의 가열 온도의 상한은, 800 ℃ 이하로 하는 것이 바람직하고, 760 ℃ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

본 실시형태에서는, 접합 공정 (S03) 에 있어서의 진공도를, 1 × 10^-6 Pa 이상 5 × 10^-2 Pa 이하의 범위 내로 한 경우에는, Mg 막 (25) 의 산화를 억제할 수 있고, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22, 23) 을 확실하게 접합할 수 있게 된다.

접합 공정 (S03) 에 있어서의 진공도의 하한은, 1 × 10^-4 Pa 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1 × 10^-3 Pa 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 접합 공정 (S03) 에 있어서의 진공도의 상한은, 1 × 10^-2 Pa 이하로 하는 것이 바람직하고, 5 × 10^-3 Pa 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

본 실시형태에서는, 접합 공정 (S03) 에 있어서의 가열 온도에서의 유지 시간을, 5 min 이상 180 min 이하의 범위 내로 한 경우에는, 액상을 충분히 형성할 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22, 23) 을 확실하게 접합할 수 있게 된다.

접합 공정 (S03) 에 있어서의 가열 온도에서의 유지 시간의 하한은, 10 min 이상으로 하는 것이 바람직하고, 30 min 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 접합 공정 (S03) 에 있어서의 가열 온도에서의 유지 시간의 상한은, 150 min 이하로 하는 것이 바람직하고, 120 min 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 그 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.

예를 들어, 회로층 또는 금속층을 구성하는 구리판을, 무산소 구리의 압연판으로서 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 다른 구리 또는 구리 합금으로 구성된 것이어도 된다.

본 실시형태에 있어서는, 회로층 및 금속층을 구리판으로 구성한 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 회로층 및 금속층의 적어도 일방이 구리판으로 구성되어 있으면, 타방은, 알루미늄판 등의 다른 금속판으로 구성한 것이어도 된다.

본 실시형태에서는, Mg 배치 공정에 있어서, Mg 막을 증착에 의해 성막하는 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 다른 방법으로 Mg 막을 성막해도 되고, Mg 박을 배치해도 된다. 또, Cu 와 Mg 의 클래드재를 배치해도 된다.

본 실시형태에서는, Mg 배치 공정에 있어서, Mg 페이스트 및 Cu-Mg 페이스트를 도포해도 된다. 또, Cu 페이스트와 Mg 페이스트를 적층하여 배치해도 된다. 이 때, Mg 페이스트는 구리판측 혹은 세라믹스 기판측의 어느 쪽에 배치해도 된다. 또, Mg 로서, MgH₂ 를 배치해도 된다.

히트 싱크로서 방열판을 예로 들어 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 히트 싱크의 구조에 특별히 한정은 없다. 예를 들어, 히트 싱크는, 냉매가 유통하는 유로를 갖는 것이나 냉각 핀을 구비한 것이어도 된다. 또, 히트 싱크로서 알루미늄이나 알루미늄 합금을 포함하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 를 사용할 수도 있다.

히트 싱크의 천판부나 방열판과 금속층 사이에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 알루미늄을 포함하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층을 형성해도 된다.

본 실시형태에서는, 절연 회로 기판의 회로층에 파워 반도체 소자를 탑재하여 파워 모듈을 구성하는 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 절연 회로 기판에 LED 소자를 탑재하여 LED 모듈을 구성해도 되고, 절연 회로 기판의 회로층에 열전 소자를 탑재하여 열전 모듈을 구성해도 된다.

실시예

(본 발명예 1 ∼ 12, 비교예 1 ∼ 2, 종래예)

본 발명의 유효성을 확인하기 위해 실시한 확인 실험에 대하여 설명한다.

가로세로 40 ㎜ 의 질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 기판의 양면에, 표 1 에 나타내는 바와 같이 Mg 를 배치한 구리판 (무산소 구리, 가로세로 37 ㎜, 두께 0.15 ㎜) 을 적층하고, 표 1 에 나타내는 접합 조건에서 접합하여, 구리/세라믹스 접합체를 형성하였다. 세라믹스 기판의 두께는 두께 0.635 ㎜ 로 하였다. 또, 접합시의 진공로의 진공도는 5 × 10^-3 Pa 로 하였다.

종래예에서는, 세라믹스 기판과 구리판 사이에, Ag-28 mass％ Cu-5 mass％ Ti 의 활성 브레이징재를, Ag 량이 5.2 mg/㎠ 가 되도록 배치하였다.

또, 접합 공정 (S03) 에 있어서, 접합 온도 (표 1 의 「온도 (℃)」) 로부터 480 ℃ 까지 강온할 때, 강온 속도는, 5 ℃/min 의 속도로 강온하도록 제어하였다. 또한, 강온 속도는, 가스 냉각시의 가스 분압 (냉각 팬에 의한 순환 유무) 으로 제어한다.

이와 같이 하여 얻어진 구리/세라믹스 접합체에 대하여, 접합 계면을 관찰하여, Mg 고용층, Cu-Mg 금속간 화합물상을 확인하였다. 또, 구리/세라믹스 접합체의 초기 접합률, 냉열 사이클 후의 세라믹스 기판의 균열, 마이그레이션성을, 이하와 같이 평가하였다.

(Mg 고용층)

구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을, EPMA 장치 (니혼 전자 주식회사 제조 JXA-8539F) 를 사용하여, 배율 2000 배, 가속 전압 15 ㎸ 의 조건에서 접합 계면을 포함하는 영역 (400 ㎛ × 600 ㎛) 을 관찰하고, 세라믹스 기판 표면으로부터 구리판 측을 향하여 10 ㎛ 간격으로, 구리판의 두께에 따라 10 점 이상 20 점 이하의 범위에서 정량 분석을 실시하고, Mg 농도가 0.01 원자％ 이상인 영역을 Mg 고용층으로 하였다.

(Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적률)

구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을, 전자선 마이크로 애널라이저 (니혼 전자 주식회사 제조 JXA-8539F) 를 사용하여, 배율 2000 배, 가속 전압 15 ㎸ 의 조건에서 접합 계면을 포함하는 영역 (400 ㎛ × 600 ㎛) 의 Mg 의 원소 MAP 을 취득하고, Mg 의 존재가 확인된 영역 내에서의 정량 분석의 5 점 평균으로, Cu 농도가 5 원자％ 이상, 또한, Mg 농도가 30 원자％ 이상 70 원자％ 이하를 만족한 영역을 Cu-Mg 금속간 화합물상으로 하였다.

그리고, 세라믹스 기판의 접합면으로부터 구리판 측을 향하여 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 금속간 화합물상의 면적률 (％) 을 산출하였다.

(초기 접합률)

구리판과 세라믹스 기판의 접합률은, 초음파 탐상 (探傷) 장치 (주식회사 히타치 파워 솔루션즈 제조 FineSAT200) 를 사용하고 이하의 식을 사용하여 구하였다. 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적, 즉 구리판의 접합면의 면적으로 하였다. 초음파 탐상 이미지에 있어서 박리는 접합부 내의 백색부로 나타내지는 점에서, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 하였다.

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

(세라믹스 기판의 균열)

냉열 충격 시험기 (에스펙 주식회사 제조 TSA-72ES) 를 사용하여, 기상으로, -50 ℃ × 10 분 ←→ 150 ℃ × 10 분의 300 사이클을 실시하였다.

상기 서술한 냉열 사이클을 부하한 후의 세라믹스 기판의 균열의 유무를 평가하였다.

(마이그레이션)

회로층에 있어서 절연 분리된 회로 패턴간 거리 0.5 ㎜, 온도 85 ℃, 습도 85 ％ RH, 전압 DC 50 V 의 조건에서, 2000 시간 방치 후에, 회로 패턴 사이의 전기 저항을 측정하고, 저항치가 1 × 10⁶ Ω 이하로 되었을 경우를 단락한 (마이그레이션이 발생한) 것으로 판단하고, 마이그레이션의 평가를 「B」로 하였다. 상기와 동일한 조건에서, 2000 시간 방치 후에, 회로 패턴 사이의 전기 저항을 측정하고, 저항치가 1 × 10⁶ Ω 보다 큰 경우에는, 마이그레이션이 발생하지 않은 것으로 판단하고, 마이그레이션의 평가를 「A」로 하였다.

평가 결과를 표 1 에 나타낸다. 또, 본 발명예 1 의 관찰 결과를 도 5 에 나타낸다.

Mg 배치 공정에 있어서, Mg 량이 0.09 mg/㎠ 로 본 발명의 범위보다 적은 비교예 1 에 있어서는, 접합시에 액상이 부족했기 때문에, 접합체를 형성할 수 없었다. 이 때문에, 그 후의 평가를 중지하였다.

Mg 배치 공정에 있어서, Mg 량이 4.75 mg/㎠ 로 본 발명의 범위보다 많은 비교예 2 에 있어서는, 접합시에 액상이 과잉으로 생성되었기 때문에, 액상이 접합 계면으로부터 누출되고, 소정 형상의 접합체를 제조할 수 없었다. 이 때문에, 그 후의 평가를 중지하였다.

Ag-Cu-Ti 브레이징재를 사용하여 세라믹스 기판과 구리판을 접합한 종래예에 있어서는, 마이그레이션의 평가가 「B」로 판단되었다. 접합 계면에 Ag 가 존재했기 때문이라고 추측된다.

이에 대하여, 본 발명예 1 ∼ 12 에 있어서는, 초기 접합률도 높고, 세라믹스 기판의 균열도 확인되지 않았다. 또, 마이그레이션도 양호하였다.

또, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 접합 계면을 관찰한 결과, Mg 고용층 (32) 이 관찰되었다.

(본 발명예 21 ∼ 32)

구리/세라믹스 접합체는, 상기 본 발명예 1 ∼ 12 에서 제조한 구리/세라믹스 접합체와 동일하게 제조하고, 얻어진 구리/세라믹스 접합체에 대하여, Cu₂Mg 의 면적률, 및 초음파 접합 계면을, 이하와 같이 평가하였다.

Mg 고용층, Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적률, 및 구리/세라믹스 접합체의 초기 접합률의 평가는, 상기 본 발명예 1 ∼ 12 에서 실시한 평가와 동일하게 실시하였다.

(강온 속도)

접합 공정 (S03) 에 있어서, 접합 온도 (표 2 의 「온도 (℃)」) 로부터 480 ℃ 까지 강온할 때, 강온 속도는, 표 2 에 나타내는 속도로 제어하였다.

(Cu₂Mg 의 면적률)

상기 Cu-Mg 금속간 화합물상 중, Cu₂Mg 의 면적률 (％) 을 이하의 계산식으로 정의하고, 산출하였다.

Cu₂Mg 의 면적률 (％) ＝ Cu₂Mg 의 면적/(Cu₂Mg 의 면적 ＋ CuMg₂ 의 면적) × 100

「Cu₂Mg 의 면적」은, Mg 농도가 30 at％ 이상 60 at％ 미만인 영역으로 하고, 「CuMg₂ 의 면적」은, Mg 농도가 60 at％ 이상 70 at％ 미만인 영역으로 하였다.

(초음파 접합)

얻어진 구리/세라믹스 접합체에 대하여, 초음파 금속 접합기 (쵸온파 공업 주식회사 제조 : 60C-904) 를 사용하여, 구리 단자 (10 ㎜ × 5 ㎜ × 1.5 ㎜ 두께) 를 콜랩스량 0.5 ㎜ 의 조건에서 초음파 접합하였다.

접합 후에, 초음파 탐상 장치 (주식회사 히타치 파워 솔루션즈 제조 FineSAT200) 를 사용하여, 구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을 검사하고, 세라믹스 균열이 관찰된 것을 「C」, 박리가 관찰된 것을 「B」, 어느 쪽도 확인되지 않은 것을 「A」로 평가하였다. 평가 결과를 표 2 에 나타낸다.

접합 공정 (S03) 후의 강온 속도에 의해, Cu₂Mg 의 면적률의 값, 및 초음파 접합의 접합성이 변화하였다.

표 2 에 나타내는 결과로부터, 강온 속도는, 25 ℃/min 이하가 바람직하고, 20 ℃/min 이하가 더욱 바람직한 것이 분명해졌다.

표 2 에 나타내는 결과로부터, Cu-Mg 금속간 화합물상 중, Cu₂Mg 의 면적률은 55 ％ 이상이 바람직하고, 60 ％ 이상이 보다 바람직하고, 67 ％ 이상이 더욱 바람직한 것이 분명해졌다.

이상으로부터, 본 발명예에 의하면, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합되고, 내마이그레이션성이 우수하며, 또한, 고온 동작시에 있어서의 세라믹스 균열의 발생을 억제할 수 있는 구리/세라믹스 접합체 (절연 회로 기판) 를 제공 가능한 것이 확인되었다.

또, 본 발명예에 의하면, 접합 온도로부터 480 ℃ 까지의 강온 온도의 속도를 제어함으로써, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합되고, 초음파 접합성이 우수한 구리/세라믹스 접합체 (절연 회로 기판) 를 제공 가능한 것이 확인되었다.

10 : 절연 회로 기판
11 : 세라믹스 기판
12 : 회로층
13 : 금속층
22, 23 : 구리판
32 : Mg 고용층

Claims

구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 부재가 접합되어 이루어지는 구리/세라믹스 접합체로서,
상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
제 1 항에 있어서,
상기 세라믹스 부재의 접합면으로부터 상기 구리 부재 측을 향하여 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 금속간 화합물상의 면적률이 15 ％ 이하인 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 기판의 표면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합되어 이루어지는 절연 회로 기판으로서,
상기 구리판과 상기 세라믹스 기판 사이에, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
제 3 항에 있어서,
상기 세라믹스 기판의 접합면으로부터 상기 구리판 측을 향하여 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 금속간 화합물상의 면적률이 15 ％ 이하인 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 구리/세라믹스 접합체를 제조하는 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법으로서,
상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에, Mg 를 배치하는 Mg 배치 공정과,
상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를 Mg 를 개재하여 적층하는 적층 공정과,
Mg 를 개재하여 적층된 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정을 구비하고 있고,
상기 Mg 배치 공정에서는, Mg 량을 0.17 mg/㎠ 이상 3.48 mg/㎠ 이하의 범위 내로 하는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 접합 공정에 있어서의 가압 하중이 0.049 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하의 범위 내로 되고, 가열 온도가 500 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법.
제 3 항 또는 제 4 항에 기재된 절연 회로 기판의 제조 방법으로서,
상기 구리판과 상기 세라믹스 기판 사이에, Mg 를 배치하는 Mg 배치 공정과,
상기 구리판과 상기 세라믹스 기판을 Mg 를 개재하여 적층하는 적층 공정과,
Mg 를 개재하여 적층된 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판을 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정을 구비하고 있고,
상기 Mg 배치 공정에서는, Mg 량을 0.17 mg/㎠ 이상 3.48 mg/㎠ 이하의 범위 내로 하는 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판의 제조 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 접합 공정에 있어서의 가압 하중이 0.049 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하의 범위 내로 되고, 가열 온도가 500 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판의 제조 방법.