KR102413017B1

KR102413017B1 - 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법

Info

Publication number: KR102413017B1
Application number: KR1020227013066A
Authority: KR
Inventors: 노부유키 데라사키
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2022-06-23
Also published as: EP4071128A4; WO2021112060A1; KR20220054461A; US20220353989A1; EP4071128A1; US11638350B2; CN114728857B; CN114728857A; EP4071128B1

Abstract

이 구리/세라믹스 접합체 (10) 는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재 (12, 13) 와, 질소 함유 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재 (11) 가 접합되어 이루어지고, 구리 부재 (12, 13) 와 세라믹스 부재 (11) 사이에 있어서는, 세라믹스 부재 (11) 측에 Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 이상의 활성 금속의 질화물을 포함하는 활성 금속 질화물층 (41) 이 형성되고, 이 활성 금속 질화물층 (41) 과 구리 부재 (12, 13) 사이에 Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층 (45) 이 형성되어 있고, 활성 금속 질화물층 (41) 의 내부에, Cu 입자 및 Cu 와 활성 금속의 화합물 입자 중 어느 일방 또는 양방으로 이루어지는 Cu 함유 입자 (42) 가 분산되어 있다.

Description

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

이 발명은, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 질소 함유 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재가 접합되어 이루어지는 구리/세라믹스 접합체, 질소 함유 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 기판의 표면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합되어 이루어지는 절연 회로 기판, 및 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법에 관한 것이다.

본원은, 2019년 12월 2일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2019-217926호, 및 2020년 11월 24일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2020-194519호에 기초하여 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 대전력 제어용의 파워 반도체 소자는, 동작시의 발열량이 많은 점에서, 이것을 탑재하는 기판으로는, 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, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, 구리판을 접합함으로써 회로층 및 금속층을 형성한 절연 회로 기판이 제안되어 있다.

이 특허문헌 1 에 있어서는, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, Ag-Cu-Ti 계 브레이징재 (brazing filler material) 를 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, 용융된 브레이징재와 세라믹스 기판의 젖음성이 향상되어, 세라믹스 기판과 구리판이 양호하게 접합된다.

특허문헌 2 에 있어서는, Cu-Mg-Ti 계 브레이징재를 사용하여, 세라믹스 기판과 구리판을 접합한 절연 회로 기판이 제안되어 있다.

이 특허문헌 2 에 있어서는, 질소 가스 분위기하에서 560 ∼ 800 ℃ 에서 가열함으로써 접합하는 구성으로 되어 있으며, Cu-Mg-Ti 합금 중의 Mg 는 승화되어 접합 계면에는 잔존하지 않고, 또한 질화티탄 (TiN) 이 실질적으로 형성되지 않는다.

일본 특허공보 제3211856호 일본 특허공보 제4375730호

그런데, SiC 등을 사용한 고온 반도체 디바이스에 있어서는, 반도체 소자가 고밀도로 실장되는 경우가 있으며, 이것에 사용되는 절연 회로 기판에는, 보다 고온에서의 동작을 보증할 필요가 있다.

이 때문에, 종래보다 혹독한 냉열 사이클을 부하한 경우에도, 세라믹스 기판의 균열의 발생을 억제하는 것이 필요해진다.

이 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 혹독한 냉열 사이클을 부하한 경우에도, 세라믹스 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있어, 냉열 사이클 신뢰성이 우수한 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 양태에 관련된 구리/세라믹스 접합체는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 질소 함유 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재가 접합되어 이루어지는 구리/세라믹스 접합체로서, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에 있어서는, 상기 세라믹스 부재측에 Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 이상의 활성 금속의 질화물을 포함하는 활성 금속 질화물층이 형성되고, 이 활성 금속 질화물층과 상기 구리 부재 사이에 Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있고, 상기 활성 금속 질화물층의 내부에, Cu 입자 및 Cu 와 활성 금속의 화합물 입자 중 어느 일방 또는 양방으로 이루어지는 Cu 함유 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

상기 양태의 구리/세라믹스 접합체에 의하면, 상기 세라믹스 부재측에 Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 이상의 활성 금속의 질화물을 포함하는 활성 금속 질화물층이 형성되고, 이 활성 금속 질화물층과 상기 구리 부재 사이에 Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있으므로, 계면 반응이 충분히 진행되고 있어, 구리 부재와 세라믹스 부재가 강고하게 접합되어 있다.

상기 활성 금속 질화물층의 내부에, Cu 입자 및 Cu 와 활성 금속의 화합물 입자 중 어느 일방 또는 양방으로 이루어지는 Cu 함유 입자가 분산되어 있으므로, 냉열 사이클 부하시에 있어서, 단단한 활성 금속 질화물층에 있어서의 응력을 완화시킬 수 있어, 이 활성 금속 질화물층에 인접하는 세라믹스 부재의 균열의 발생을 억제할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 관련된 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 Cu 함유 입자의 입자경이 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 Cu 함유 입자의 입자경이 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내이므로, 활성 금속 질화물층에 있어서의 응력 완화 효과를 충분히 발휘시킬 수 있어, 이 활성 금속 질화물층에 인접하는 세라믹스 부재의 균열의 발생을 더욱 억제할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 관련된 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 활성 금속 질화물층의 내부에, Mg 가 존재하는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 활성 금속 질화물층의 내부에 존재하는 Mg 에 의해, 활성 금속 질화물층에 있어서의 응력 완화 효과를 얻을 수 있어, 이 활성 금속 질화물층에 인접하는 세라믹스 부재의 균열의 발생을 더욱 억제할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 관련된 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 세라믹스 부재측 계면으로부터 상기 활성 금속 질화물층의 전체 두께의 25 ％ 위치까지의 영역의 평균 구리 농도 C1 (원자％) 과, 상기 구리 부재측 계면으로부터 상기 활성 금속 질화물층의 전체 두께의 25 ％ 위치까지의 영역의 평균 구리 농도 C2 (원자％) 의 비 C2/C1 이 0.8 이하인 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 활성 금속 질화물층에 있어서, 상기 세라믹스 부재측의 구리 농도가 상기 구리 부재측의 구리 농도보다 높기 때문에, 계면 반응이 충분히 진행되고 있어, 구리 부재와 세라믹스 부재가 더욱 강고하게 접합되어 있다.

본 발명의 일 양태에 관련된 절연 회로 기판은, 질소 함유 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 기판의 표면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합되어 이루어지는 절연 회로 기판으로서, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판 사이에 있어서는, 상기 세라믹스 기판측에 Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 이상의 활성 금속의 질화물을 포함하는 활성 금속 질화물층이 형성되고, 이 활성 금속 질화물층과 상기 구리판 사이에 Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있고, 상기 활성 금속 질화물층의 내부에, Cu 입자 및 Cu 와 활성 금속의 화합물 입자 중 어느 일방 또는 양방으로 이루어지는 Cu 함유 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

상기 양태의 절연 회로 기판에 의하면, 상기 세라믹스 기판측에 Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 이상의 활성 금속의 질화물을 포함하는 활성 금속 질화물층이 형성되고, 이 활성 금속 질화물층과 상기 구리판 사이에 Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있으므로, 계면 반응이 충분히 진행되고 있어, 구리판과 세라믹스 기판이 강고하게 접합되어 있다.

상기 활성 금속 질화물층의 내부에, Cu 입자 및 Cu 와 활성 금속의 화합물 입자 중 어느 일방 또는 양방으로 이루어지는 Cu 함유 입자가 분산되어 있으므로, 냉열 사이클 부하시에 있어서, 단단한 활성 금속 질화물층에 있어서의 응력을 완화시킬 수 있어, 이 활성 금속 질화물층에 인접하는 세라믹스 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 관련된 절연 회로 기판에 있어서는, 상기 Cu 함유 입자의 입자경이 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 Cu 함유 입자의 입자경이 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내이므로, 활성 금속 질화물층에 있어서의 응력 완화 효과를 충분히 발휘시킬 수 있어, 이 활성 금속 질화물층에 인접하는 세라믹스 기판의 균열의 발생을 더욱 억제할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 관련된 절연 회로 기판에 있어서는, 상기 활성 금속 질화물층의 내부에, Mg 가 존재하는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 활성 금속 질화물층의 내부에 존재하는 Mg 에 의해, 활성 금속 질화물층에 있어서의 응력 완화 효과를 얻을 수 있어, 이 활성 금속 질화물층에 인접하는 세라믹스 기판의 균열의 발생을 더욱 억제할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 관련된 절연 회로 기판에 있어서는, 상기 세라믹스 기판측 계면으로부터 상기 활성 금속 질화물층의 전체 두께의 25 ％ 위치까지의 영역의 평균 구리 농도 C1 (원자％) 과, 상기 구리판측 계면으로부터 상기 활성 금속 질화물층의 전체 두께의 25 ％ 위치까지의 영역의 평균 구리 농도 C2 (원자％) 의 비 C2/C1 이 0.8 이하인 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 활성 금속 질화물층에 있어서, 상기 세라믹스 기판측의 구리 농도가 상기 구리판측의 구리 농도보다 높기 때문에, 계면 반응이 충분히 진행되고 있어, 구리판과 세라믹스 기판이 더욱 강고하게 접합되어 있다.

본 발명의 일 양태에 관련된 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법은, 상기 서술한 구리/세라믹스 접합체를 제조하는 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법으로서, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 이상의 활성 금속 및 Mg 를 배치하는 활성 금속 및 Mg 배치 공정과, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를, 활성 금속 및 Mg 를 개재하여 적층하는 적층 공정과, 활성 금속 및 Mg 를 개재하여 적층된 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에 있어서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정을 구비하고 있고, 상기 활성 금속 및 Mg 배치 공정에서는, 활성 금속량을 0.4 μ㏖/㎠ 이상 18.8 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 14 μ㏖/㎠ 이상 86 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내로 하고, 상기 접합 공정에서는, 440 ℃ 이상 480 ℃ 미만의 중간 온도에서 30 min 이상 150 min 이하 유지하고, 그 후, 700 ℃ 이상의 온도에서 15 min 이상 유지하는 것을 특징으로 하고 있다.

상기 양태의 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법에 의하면, 상기 활성 금속 및 Mg 배치 공정에서는, 활성 금속량을 0.4 μ㏖/㎠ 이상 18.8 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 14 μ㏖/㎠ 이상 86 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있으므로, 계면 반응에 필요한 액상을 충분히 얻을 수 있다. 따라서, 구리 부재와 세라믹스 부재를 확실하게 접합할 수 있다.

상기 접합 공정에서는, 440 ℃ 이상 480 ℃ 미만의 중간 온도에서 30 min 이상 150 min 이하 유지하고 있으므로, 중간 온도에서 유지하였을 때에, 고상 상태에서 세라믹스의 분해 반응이 진행되어, 국소적으로 Mg 를 포함하는 액상이 발생하고, 세라믹스 부재의 내부에 Mg 가 침입한다.

또, 중간 온도에서 유지한 후, 700 ℃ 이상의 온도에서 15 min 이상 유지하므로, 활성 금속 질화물층이 생성된다. 또, 세라믹스 부재의 내부에서는, Mg 가 침입한 부분을 기점으로 Cu-Mg 액상이 생성되고, 세라믹스 부재의 내부에 Cu 가 침입하여, Cu 함유 입자가 분산된다.

본 발명의 일 양태에 관련된 절연 회로 기판의 제조 방법은, 상기 서술한 절연 회로 기판을 제조하는 절연 회로 기판의 제조 방법으로서, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판 사이에, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 이상의 활성 금속 및 Mg 를 배치하는 활성 금속 및 Mg 배치 공정과, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판을, 활성 금속 및 Mg 를 개재하여 적층하는 적층 공정과, 활성 금속 및 Mg 를 개재하여 적층된 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판을 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에 있어서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정을 구비하고 있고, 상기 활성 금속 및 Mg 배치 공정에서는, 활성 금속량을 0.4 μ㏖/㎠ 이상 18.8 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 14 μ㏖/㎠ 이상 86 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내로 하고, 상기 접합 공정에서는, 440 ℃ 이상 480 ℃ 미만의 중간 온도에서 30 min 이상 150 min 이하 유지하고, 그 후, 700 ℃ 이상의 온도에서 15 min 이상 유지하는 것을 특징으로 하고 있다.

상기 양태의 절연 회로 기판의 제조 방법에 의하면, 상기 활성 금속 및 Mg 배치 공정에서는, 활성 금속량을 0.4 μ㏖/㎠ 이상 18.8 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 14 μ㏖/㎠ 이상 86 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있으므로, 계면 반응에 필요한 액상을 충분히 얻을 수 있다. 따라서, 구리판과 세라믹스 기판을 확실하게 접합할 수 있다.

상기 접합 공정에서는, 440 ℃ 이상 480 ℃ 미만의 중간 온도에서 30 min 이상 150 min 이하 유지하고 있으므로, 중간 온도에서 유지하였을 때에, 고상 상태에서 세라믹스 분해 반응이 진행되어, 국소적으로 Mg 를 포함하는 액상이 발생하고, 세라믹스 기판의 내부에 Mg 가 침입한다.

또, 중간 온도에서 유지한 후, 700 ℃ 이상의 온도에서 15 min 이상 유지하고 있으므로, Mg 가 침입한 부분을 기점으로 Cu-Mg 액상이 생성되고, 세라믹스 기판의 내부에 Cu 가 침입하여, Cu 함유 입자가 분산된다.

본 발명의 상기 양태에 의하면, 혹독한 냉열 사이클을 부하한 경우에도, 세라믹스 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있어, 냉열 사이클 신뢰성이 우수한 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 절연 회로 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 절연 회로 기판의 회로층 (금속층) 과 세라믹스 기판의 접합 계면의 관찰 결과이다.
도 3 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 절연 회로 기판의 회로층 (금속층) 과 세라믹스 기판의 접합 계면의 확대 설명도이다.
도 4 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 절연 회로 기판의 제조 방법의 플로도이다.
도 5 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 절연 회로 기판의 제조 방법의 개략 설명도이다.

이하에 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

본 실시형태에 관련된 구리/세라믹스 접합체는, 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재로서의 세라믹스 기판 (11) 과, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재로서의 구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 이 접합되어 이루어지는 절연 회로 기판 (10) 이다. 도 1 에 본 실시형태인 절연 회로 기판 (10) 을 구비한 파워 모듈 (1) 을 나타낸다.

이 파워 모듈 (1) 은, 세라믹스 기판 (11) 에 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 배치 형성된 절연 회로 기판 (10) 과, 회로층 (12) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 접합층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 금속층 (13) 의 타방측 (도 1 에 있어서 하측) 에 배치된 히트 싱크 (30) 를 구비하고 있다.

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 솔더재로 구성되어 있다.

히트 싱크 (30) 는, 전술한 절연 회로 기판 (10) 으로부터의 열을 방산한다. 이 히트 싱크 (30) 는, Cu 또는 Cu 합금으로 구성되어 있고, 본 실시형태에서는 인탈산동으로 구성되어 있다. 이 히트 싱크 (30) 에는, 냉각용의 유체가 흐르기 위한 유로 (31) 가 형성되어 있다.

본 실시형태에 있어서는, 히트 싱크 (30) 와 금속층 (13) 이, 솔더재로 이루어지는 솔더층 (32) 에 의해 접합되어 있다. 이 솔더층 (32) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 솔더재로 구성되어 있다.

본 실시형태인 절연 회로 기판 (10) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 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, 절연성 및 방열성이 우수한 질소 함유 세라믹스로 구성되어 있고, 본 실시형태에서는, 질화알루미늄 (AlN) 으로 구성되어 있다. 이 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 예를 들어, 0.2 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다. 질화알루미늄 (AlN) 이외에도 질화규소를 사용할 수도 있다.

회로층 (12) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 5 에 있어서 상면) 에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (22) 이 접합됨으로써 형성되어 있다.

본 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 은, 무산소동의 압연판으로 이루어지는 구리판 (22) 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.

회로층 (12) 이 되는 구리판 (22) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 2.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.

금속층 (13) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 5 에 있어서 하면) 에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (23) 이 접합됨으로써 형성되어 있다.

본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 은, 무산소동의 압연판으로 이루어지는 구리판 (23) 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.

금속층 (13) 이 되는 구리판 (23) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 2.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.

세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속층 (13)) 의 접합 계면에 있어서는, 도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 측에, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속의 질화물로 이루어지는 활성 금속 질화물층 (41) 이 형성되고, 이 활성 금속 질화물층 (41) 에 적층하도록 Mg 고용층 (45) 이 형성되어 있다.

Mg 고용층 (45) 은, 회로층 (12) (금속층 (13)) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면을, EPMA 장치 (니혼 전자 주식회사 제조의 JXA-8539F) 를 사용하여, 배율 2000 배, 가속 전압 15 ㎸ 의 조건에서 접합 계면을 포함하는 영역 (세로 400 ㎛ × 가로 600 ㎛) 을 관찰하고, 세라믹스 기판 (11) 표면에서 회로층 (12) (금속층 (13)) 측을 향하여 10 ㎛ 간격의 10 점에서 정량 분석을 실시하고, Cu 농도 ＋ Mg 농도 ＝ 100 원자％ 로 하여, Mg 농도가 0.01 원자％ 이상 6.9 원자％ 이하인 영역이다. 접합 계면은 측정하지 않는다. 따라서, Mg 고용층 (45) 은, 세라믹스 기판 (11) 표면에서 회로층 (12) (금속층 (13)) 측을 향하여, 10 ㎛ 이상 떨어진 영역에 존재한다.

본 실시형태에서는, 활성 금속으로서 Ti 를 사용하는 것이 바람직하고, 이 경우, 활성 금속 질화물층 (41) 은, 질화티탄 (TiN) 으로 구성된다.

본 실시형태에 있어서는, 활성 금속 질화물층 (41) 의 두께가 50 ㎚ 이상 1200 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다. 활성 금속 질화물층 (41) 의 두께는 100 ㎚ 이상인 것이 더욱 바람직하고, 150 ㎚ 이상인 것이 보다 바람직하다. 한편, 활성 금속 질화물층 (41) 의 두께는 800 ㎚ 이하인 것이 더욱 바람직하고, 600 ㎚ 이하인 것이 보다 바람직하다.

활성 금속 질화물층 (41) 의 내부에는, Cu 입자 및 Cu 와 활성 금속의 화합물 입자 중 어느 일방 또는 양방으로 이루어지는 Cu 함유 입자 (42) 가 분산되어 있다.

상기 서술한 Cu 함유 입자 (42) 는, 활성 금속 질화물층 (41) 의 세라믹스 기판 (11) 측에 많이 존재하고 있고, 활성 금속 질화물층 (41) 중 세라믹스 기판 (11) 과의 계면에서 500 ㎚ 까지의 계면 근방 영역에, 활성 금속 질화물층 (41) 내에서 관찰되는 Cu 함유 입자 (42) 의 65 ％ 이상 (개수 기준) 이 분포되어 있다. 상기 계면 근방 영역에 분포하는 Cu 함유 입자 (42) 의 더욱 바람직한 비율은 85 ％ 이상이고, 보다 바람직하게는 95 ％ 이상이고, 상한값은 100 ％ 이다.

본 실시형태에 있어서는, Cu 함유 입자 (42) 는, 입자경이 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.

활성 금속 질화물층 (41) 의 내부에 분산되는 Cu 함유 입자 (42) 의 원 상당 직경은 15 ㎚ 이상인 것이 더욱 바람직하고, 20 ㎚ 이상인 것이 보다 바람직하다. 한편, 상기 서술한 Cu 함유 입자 (42) 의 원 상당 직경은 70 ㎚ 이하인 것이 더욱 바람직하고, 50 ㎚ 이하인 것이 보다 바람직하다.

본 실시형태에 있어서는, 활성 금속 질화물층 (41) 의 내부에는, Mg 가 존재하고 있어도 된다. 이 경우, 활성 금속 질화물층 (41) 의 내부에 존재하는 Mg 에 의해, 활성 금속 질화물층 (41) 에 있어서의 응력 완화 효과를 얻을 수 있어, 이 활성 금속 질화물층 (41) 에 인접하는 세라믹스 기판 (11) 의 균열의 발생을 더욱 억제할 수 있다.

Mg 가 존재하고 있다는 것은, 활성 금속 질화물층 (41) 에 대하여, STEM-EDX 분석으로 Mg 농도가 Cu ＋ Mg ＋ 활성 금속 (Ti, Zr, Nb, Hf) ＝ 100 원자％ 로 하였을 때, 0.01 원자％ 이상 70 원자％ 이하였던 경우를 Mg 가 존재하고 있는 것으로 정의한다.

본 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 측 계면으로부터 활성 금속 질화물층 (41) 의 전체 두께의 25 ％ 위치까지의 영역의 평균 구리 농도 C1 (원자％) 과, 회로층 (12) (금속층 (13)) 측 계면으로부터 활성 금속 질화물층 (41) 의 전체 두께의 25 ％ 위치까지의 영역의 평균 구리 농도 C2 (원자％) 의 비 C2/C1 이 0.8 이하인 것이 바람직하다.

상기 서술한 구리 농도의 비 C2/C1 의 하한에 특별히 한정은 없지만, 0.01 이상으로 하는 것이 바람직하다.

이하에 본 실시형태에 관련된 절연 회로 기판 (10) 의 제조 방법에 대해, 도 4 및 도 5 를 참조하여 설명한다.

(활성 금속 및 Mg 배치 공정 S01)

먼저, 질화알루미늄 (AlN) 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (11) 을 준비하고, 도 5 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 Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속 및 Mg 를 배치한다.

본 실시형태에서는, 회로층 (12) 이 되는 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 사이, 및 금속층 (13) 이 되는 구리판 (23) 과 세라믹스 기판 (11) 사이에, Mg 박 (25) 과 활성 금속박 (26) 을 배치 형성하고 있다.

활성 금속 및 Mg 배치 공정 S01 에서는, 배치하는 활성 금속량을 0.4 μ㏖/㎠ 이상 18.8 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 14 μ㏖/㎠ 이상 86 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내로 한다.

배치하는 활성 금속량은 0.9 μ㏖/㎠ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 2.8 μ㏖/㎠ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 배치하는 활성 금속량은 9.4 μ㏖/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하고, 6.6 μ㏖/㎠ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

배치하는 Mg 량은 21 μ㏖/㎠ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 28 μ㏖/㎠ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 배치하는 Mg 량은 72 μ㏖/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하고, 57 μ㏖/㎠ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

(적층 공정 S02)

다음으로, 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 을, 활성 금속박 (26) 및 Mg 박 (25) 을 개재하여 적층함과 함께, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (23) 을, 활성 금속박 (26) 및 Mg 박 (25) 을 개재하여 적층한다.

(접합 공정 S03)

다음으로, 적층된 구리판 (22), 활성 금속박 (26), Mg 박 (25), 세라믹스 기판 (11), Mg 박 (25), 활성 금속박 (26), 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 있어서는, 440 ℃ 이상 480 ℃ 미만의 중간 온도에서 30 min 이상 150 min 이하 유지하는 중간 유지 공정과, 그 후, 가열하여 700 ℃ 이상의 온도에서 15 min 이상 유지하는 고온 유지 공정을 구비하고 있다.

Cu-Mg 의 공정 (共晶) 온도 (484 ℃) 미만의 중간 온도에서 유지함으로써, 접합 계면에 있어서 고상 상태에서 세라믹스 기판 (11) 과 Mg 가 반응하여, 세라믹스의 분해 반응이 진행되어, 국소적으로 Mg 를 포함하는 액상이 발생하고, 세라믹스 기판 (11) 의 내부에 Mg 가 침입한다.

중간 유지 공정에 있어서의 유지 온도가 440 ℃ 미만에서는, 세라믹스 기판 (11) 과 활성 금속의 반응이 불충분해질 우려가 있다. 중간 유지 공정에 있어서의 유지 온도가 480 ℃ 이상이 되면, 접합 계면에 액상이 발생하여, 고상 상태에서 세라믹스 기판 (11) 과 Mg 를 반응시킬 수 없어 후술하는 고온 유지 공정에 있어서, 활성 금속 질화물층 (41) 의 내부에 Cu 함유 입자 (42) 를 충분히 분산시킬 수 없을 우려가 있다.

따라서, 중간 유지 공정에 있어서의 유지 온도는 440 ℃ 이상이고, 바람직하게는 445 ℃ 이상이고, 더욱 바람직하게는 450 ℃ 이상이다. 한편, 중간 유지 공정에 있어서의 유지 온도는 480 ℃ 미만이고, 바람직하게는 475 ℃ 이하이고, 더욱 바람직하게는 470 ℃ 이하이다.

중간 유지 공정에 있어서의 유지 시간이 30 min 미만에서는, 세라믹스 기판 (11) 과 활성 금속의 반응이 불충분해질 우려가 있다. 중간 유지 공정에 있어서의 유지 시간이 150 min 이상을 초과하면, 고상 상태에서의 반응이 과잉으로 진행되어, 구리판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 을 접합할 수 없게 될 우려가 있다.

따라서, 중간 유지 공정에 있어서의 유지 시간은 30 min 이상이고, 바람직하게는 45 min 이상이고, 더욱 바람직하게는 60 min 이상이다. 한편, 중간 유지 공정에 있어서의 유지 시간은 150 min 이하이고, 바람직하게는 120 min 이하이고, 더욱 바람직하게는 90 min 이하이다.

중간 유지 공정 후, 700 ℃ 이상의 온도에서 15 min 이상 유지하는 고온 유지 공정에 의해, 접합 계면에 액상이 형성되고, 활성 금속 질화물층 (41) 이 생성되어, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22, 23) 이 강고하게 접합된다. 또, 세라믹스 기판 (11) 의 내부에서는, Mg 가 침입한 부분을 기점으로 Cu-Mg 액상이 생성되고, 세라믹스 기판 (11) 의 내부에 Cu 가 침입하여, Cu 함유 입자가 분산된다.

고온 유지 공정에 있어서의 가열 온도가 700 ℃ 미만에서는, 충분히 액상을 확보할 수 없어, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22, 23) 을 강고하게 접합할 수 없을 우려가 있다.

따라서, 고온 유지 공정에 있어서의 가열 온도는 700 ℃ 이상이고, 바람직하게는 730 ℃ 이상이고, 더욱 바람직하게는 750 ℃ 이상이다. 고온 유지 공정에 있어서의 가열 온도는, 850 ℃ 이하로 하는 것이 바람직하고, 830 ℃ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

고온 유지 공정에 있어서의 유지 시간이 15 min 미만에서는, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22, 23) 을 강고하게 접합할 수 없을 우려가 있다.

따라서, 고온 유지 공정에 있어서의 유지 시간은 15 min 이상이고, 바람직하게는 30 min 이상이고, 더욱 바람직하게는 45 min 이상이다. 고온 유지 공정에 있어서의 유지 시간은, 150 min 이하로 하는 것이 바람직하고, 120 min 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

이상과 같이, 활성 금속 및 Mg 배치 공정 S01 과, 적층 공정 S02 와, 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 (30) 를 접합한다.

절연 회로 기판 (10) 과 히트 싱크 (30) 를, 솔더재를 개재하여 적층하여 가열로에 장입하고, 솔더층 (32) 을 개재하여 절연 회로 기판 (10) 과 히트 싱크 (30) 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.

상기 서술한 공정에 의해, 도 1 에 나타내는 파워 모듈 (1) 이 제출 (製出) 된다.

이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태의 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 측에 Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속의 질화물을 포함하는 활성 금속 질화물층 (41) 이 형성되고, 이 활성 금속 질화물층 (41) 과 회로층 (12) (금속층 (13)) 사이에 Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층 (45) 이 형성되어 있으므로, 계면 반응이 충분히 진행되고 있어, 회로층 (12) (금속층 (13)) 과 세라믹스 기판 (11) 이 강고하게 접합되어 있다.

본 실시형태에 있어서는, 활성 금속 질화물층 (41) 의 내부에, Cu 입자 및 Cu 와 활성 금속의 화합물 입자 중 어느 일방 또는 양방으로 이루어지는 Cu 함유 입자 (42) 가 분산되어 있으므로, 냉열 사이클 부하시에 있어서, 단단한 활성 금속 질화물층 (41) 에 있어서의 응력을 완화시킬 수 있어, 이 활성 금속 질화물층 (41) 에 인접하는 세라믹스 기판 (11) 의 균열의 발생을 억제할 수 있다.

본 실시형태에 있어서, Cu 함유 입자 (42) 의 입자경이 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있는 경우에는, Cu 함유 입자 (42) 에 의한 활성 금속 질화물층 (41) 에 있어서의 응력 완화 효과를 충분히 발휘시킬 수 있어, 이 활성 금속 질화물층 (41) 에 인접하는 세라믹스 기판 (11) 의 균열의 발생을 더욱 억제할 수 있다.

본 실시형태에 있어서, 활성 금속 질화물층 (41) 의 내부에 Mg 가 존재하는 경우에는, 이 Mg 에 의해, 활성 금속 질화물층 (41) 에 있어서의 응력 완화 효과를 얻을 수 있어, 이 활성 금속 질화물층 (41) 에 인접하는 세라믹스 기판 (11) 의 균열의 발생을 더욱 억제할 수 있다.

본 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 측 계면으로부터 활성 금속 질화물층 (41) 의 전체 두께의 25 ％ 위치까지의 영역의 평균 구리 농도 C1 (원자％) 과, 회로층 (12) (금속층 (13)) 측 계면으로부터 활성 금속 질화물층 (41) 의 전체 두께의 25 ％ 위치까지의 영역의 평균 구리 농도 C2 (원자％) 의 비 C2/C1 이 0.8 이하인 경우에는, 활성 금속 질화물층 (41) 에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 측의 구리 농도가 회로층 (12) (금속층 (13)) 측의 구리 농도보다 높기 때문에, 계면 반응이 충분히 진행되고 있어, 회로층 (12) (금속층 (13)) 과 세라믹스 기판 (11) 이 더욱 강고하게 접합되어 있다.

본 실시형태인 절연 회로 기판의 제조 방법에 의하면, 활성 금속 및 Mg 배치 공정 S01 에서는, 활성 금속량을 0.4 μ㏖/㎠ 이상 18.8 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 14 μ㏖/㎠ 이상 86 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있으므로, 계면 반응에 필요한 액상을 충분히 얻을 수 있다. 따라서, 구리판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 을 확실하게 접합할 수 있다.

접합 공정 S03 에서는, 440 ℃ 이상 480 ℃ 미만의 중간 온도에서 30 min 이상 150 min 이하 유지하고, 그 후, 700 ℃ 이상의 온도에서 15 min 이상 유지하는 구성으로 하고 있으므로, 상기 서술한 중간 온도에서 유지하였을 때에, 고상 상태에서 세라믹스의 분해 반응이 진행되어, 국소적으로 Mg 를 포함하는 액상이 발생하고, 세라믹스 기판 (11) 의 내부에 Mg 가 침입한다.

중간 온도에서 유지한 후, 700 ℃ 이상의 온도에서 15 min 이상 유지하고 있으므로, 활성 금속 질화물층 (41) 이 생성된다. 또, 세라믹스 기판 (11) 의 내부에서는, Mg 가 침입한 부분을 기점으로 Cu-Mg 액상이 생성되고, 세라믹스 기판 (11) 의 내부에 Cu 가 침입하여, Cu 함유 입자가 분산된다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지는 않으며, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.

예를 들어, 본 실시형태에서는, 절연 회로 기판에 반도체 소자를 탑재하여 파워 모듈을 구성하는 것으로 하여 설명하였지만, 이것에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 절연 회로 기판의 회로층에 LED 소자를 탑재하여 LED 모듈을 구성해도 되고, 절연 회로 기판의 회로층에 열전 소자를 탑재하여 열전 모듈을 구성해도 된다.

본 실시형태의 절연 회로 기판에서는, 회로층과 금속층이 모두 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판에 의해 구성된 것으로 하여 설명하였지만, 이것에 한정되지는 않는다.

예를 들어, 회로층과 세라믹스 기판이 본 발명의 구리/세라믹스 접합체로 구성되어 있으면, 금속층의 재질이나 접합 방법에 한정은 없으며, 금속층이 없어도 되고, 금속층이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되어 있어도 되고, 구리와 알루미늄의 적층체로 구성되어 있어도 된다.

한편, 금속층과 세라믹스 기판이 본 발명의 구리/세라믹스 접합체로 구성되어 있으면, 회로층의 재질이나 접합 방법에 한정은 없으며, 회로층이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되어 있어도 되고, 구리와 알루미늄의 적층체로 구성되어 있어도 된다.

본 실시형태에서는, 구리판과 세라믹스 기판 사이에 활성 금속박과 Mg 박을 적층하는 구성으로 하여 설명하였지만, 이것에 한정되지는 않으며, Mg 와 활성 금속의 합금박을 배치 형성해도 된다. 세라믹스 기판 및 구리판의 접합면에, Mg, 활성 금속, Mg 와 활성 금속의 합금 등으로 이루어지는 박막을, 스퍼터법이나 증착법 등에 의해 성막해도 된다. Mg 또는 MgH₂ 를 사용한 페이스트나, 활성 금속 또는 활성 금속 수소화물을 사용한 페이스트, 및 이것들의 혼합 페이스트를 사용해도 된다.

본 실시형태에 있어서, 접합 공정 S03 에 있어서의 가압 하중은, 0.049 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 접합 공정 S03 에 있어서의 진공도는, 1 × 10^-6 ㎩ 이상 5 × 10^-2 ㎩ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

실시예

이하에 본 발명의 효과를 확인하기 위해 실시한 확인 실험의 결과에 대해 설명한다.

(실시예 1)

먼저, 표 1, 2 에 나타내는 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜) 을 준비하였다. 본 발명예 1 ∼ 4 및 비교예 1 ∼ 5 에 있어서는, 두께 0.635 ㎜ 의 질화알루미늄 (AlN) 을 사용하고, 본 발명예 11 ∼ 14 및 비교예 11 ∼ 15 에 있어서는, 두께 0.32 ㎜ 의 질화규소 (Si₃N₄) 를 사용하였다.

이 세라믹스 기판의 양면에, 무산소동으로 이루어지는 구리판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.3 ㎜) 을 표 1, 2 에 나타내는 조건에서 접합하여, 절연 회로 기판 (구리/세라믹스 접합체) 을 얻었다. 접합시의 진공로의 진공도는 6 × 10^-3 ㎩ 로 하였다.

얻어진 절연 회로 기판 (구리/세라믹스 접합체) 에 대해, 접합 계면에 있어서의 Mg 고용층의 유무, 활성 금속 질화물층에 있어서의 Cu 함유 입자 (Cu 입자 및 Cu 와 활성 금속의 화합물 입자 중 어느 일방 또는 양방) 의 유무 및 원 상당 직경, 활성 금속 질화물층에 있어서의 Mg 의 유무, 냉열 사이클 부하 후의 세라믹스 기판의 균열의 유무에 대해, 이하와 같이 평가하였다.

(Mg 고용층)

구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을, EPMA 장치 (니혼 전자 주식회사 제조의 JXA-8539F) 를 사용하여, 배율 2000 배, 가속 전압 15 ㎸ 의 조건에서 접합 계면을 포함하는 영역 (세로 400 ㎛ × 가로 600 ㎛) 을 관찰하고, 세라믹스 기판 표면에서 구리판측을 향하여 10 ㎛ 간격의 10 점에서 정량 분석을 실시하고, Cu 농도 ＋ Mg 농도 ＝ 100 원자％ 로 하여 Mg 농도가 0.01 원자％ 이상 6.9 원자％ 이하인 영역을 Mg 고용층으로 하였다. 측정은 5 시야에서 실시하고, 1 개 지점이라도 Mg 고용층이 관찰된 경우를「유」로 하여, 표 3 및 표 4 에 기재하였다.

(활성 금속 질화물층)

구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을, 주사형 전자 현미경 (칼자이스 NTS 사 제조의 ULTRA55) 을 사용하여, 배율 15000 배 (측정 범위 : 6 ㎛ × 8 ㎛), 시야수 5 로 관찰을 실시하여, 활성 금속 질화물층의 유무를 확인하고, 활성 금속 질화물층에 있어서의 Cu 함유 입자의 유무를 확인하였다. 또, 관찰된 Cu 함유 입자의 원 상당 직경을 산출하였다.

활성 금속 질화물층에 있어서의 Mg 의 유무를 확인하였다. 활성 금속 질화물층에 있어서의 Mg 의 유무의 확인은 상기 서술한 방법에 의해 실시하였다. 측정은 5 시야에서 실시하고, 1 개 지점이라도 Mg 가 관찰된 경우를「유」로 하여, 표 3 및 표 4 에 기재하였다.

(세라믹스 기판의 균열)

-78 ℃ × 2 min ←→ 350 ℃ × 2 min 의 냉열 사이클을 부하시킨 후, SAT 검사에 의해, 구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을 검사하고, 세라믹스 균열을 확인하여, 균열이 확인된 사이클수를 평가하였다.

세라믹스 기판으로서 질화알루미늄 (AlN) 을 사용한 본 발명예 1 ∼ 4 및 비교예 1, 2 에 있어서는, 상기 서술한 냉열 사이클을 10 사이클까지 실시하고, 10 사이클 후에 균열이 확인되지 않았던 것은「＞10」으로 표시하였다.

세라믹스 기판으로서 질화규소 (Si₃N₄) 를 사용한 본 발명예 11 ∼ 14 및 비교예 11, 12 에 있어서는, 상기 서술한 냉열 사이클을 20 사이클까지 실시하고, 20 사이클 후에 균열이 확인되지 않았던 것은「＞20」으로 표시하였다.

중간 온도 유지 공정을 실시하지 않았던 비교예 1 에 있어서는, 활성 금속 질화물층에 Cu 함유 입자가 존재하지 않고, 냉열 사이클 부하 후에 세라믹스 기판의 균열이 발생하였다.

중간 온도 유지 공정에 있어서의 유지 온도가 200 ℃ 로서 낮은 비교예 2 에 있어서는, 활성 금속 질화물층에 Cu 함유 입자가 존재하지 않고, 냉열 사이클 부하 후에 세라믹스 기판의 균열이 발생하였다.

중간 온도 유지 공정에 있어서의 유지 시간이 5 min 으로서 짧은 비교예 11 에 있어서는, 활성 금속 질화물층에 Cu 함유 입자가 존재하지 않고, 냉열 사이클 부하 후에 세라믹스 기판의 균열이 발생하였다.

Mg 량이 7 μ㏖/㎠ 로서 적은 비교예 3 및 비교예 13, 활성 금속량이 0.1 μ㏖/㎠ 로서 적은 비교예 4, 중간 온도 유지 공정에 있어서의 유지 온도가 520 ℃ 로서 높은 비교예 5 및 비교예 15, 중간 온도 유지 공정에 있어서의 유지 시간이 500 min 으로서 긴 비교예 12, 활성 금속량이 0.2 μ㏖/㎠ 로서 적은 비교예 14 에 있어서는, 구리판과 세라믹스 기판을 접합할 수 없었다. 이 때문에, 그 후의 평가를 중지하였다.

이에 대하여, 활성 금속 질화물층에 Cu 함유 입자가 분산되어 있는 본 발명예 1 ∼ 4, 11 ∼ 14 에 있어서는, 냉열 사이클 부하 후에 세라믹스 기판의 균열이 확인되지 않았다.

(실시예 2)

다음으로, 표 5, 6 에 나타내는 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜) 을 준비하였다. 본 발명예 21 ∼ 28 에 있어서는, 두께 0.635 ㎜ 의 질화알루미늄 (AlN) 을 사용하고, 본 발명예 31 ∼ 38 에 있어서는, 두께 0.32 ㎜ 의 질화규소 (Si₃N₄) 를 사용하였다.

이 세라믹스 기판의 양면에, 무산소동으로 이루어지는 구리판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.3 ㎜) 을 표 5, 6 에 나타내는 조건에서 접합하여, 절연 회로 기판 (구리/세라믹스 접합체) 을 얻었다. 접합시의 진공로의 진공도는 6 × 10^-3 ㎩ 로 하였다.

얻어진 절연 회로 기판 (구리/세라믹스 접합체) 에 대하여, 접합 계면에 있어서의 Mg 고용층의 유무, 및 활성 금속 질화물층에 있어서의 Cu 함유 입자 (Cu 입자 및 Cu 와 활성 금속의 화합물 입자 중 어느 일방 또는 양방) 의 유무에 대해, 실시예 1 에 기재한 방법으로 평가하였다. 활성 금속 질화물층에 있어서의 구리 농도, 및 냉열 사이클 부하 후의 세라믹스 기판의 균열의 유무에 대해, 이하와 같이 평가하였다.

(활성 금속 질화물층에 있어서의 구리 농도)

구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을, 주사형 투과 전자 현미경 (FEI 제조의 Titan ChemiSTEM) 을 사용하여, 가속 전압 200 ㎸, 배율 2 만 배 내지 20 만 배로 두께 방향의 Cu, Mg, N 및 활성 금속 (Ti, Zr, Nb, Hf) 의 라인 분석을 실시하였다. 종축을 구리 농도 (Cu, Mg, N, 활성 금속의 합계량을 100 원자％ 로 하였을 때의 구리 농도), 횡축을 측정 위치로 하여 그래프를 작성하였다.

활성 금속 질화물층의 계면 위치는, 세라믹스 기판 또는 구리판에서 보아 질화물 형성 원소가 처음으로 10 원자％ 이상이 된 위치로 정의하였다. 세라믹스 기판측 계면으로부터 활성 금속 질화물층의 전체 두께의 25 ％ 위치까지 영역의 구리 농도의 평균값을 C1, 구리판측 계면으로부터 활성 금속 질화물층의 전체 두께의 25 ％ 위치까지 영역의 구리 농도의 평균값을 C2 로 하여, 농도비 C2/C1 을 산출하였다. 측정은, 5 시야, 각 1 라인에서 실시하고, 얻어진 농도비 C2/C1 의 평균값을 구하여, 그것을 표 7, 8 에 기재하였다.

(세라믹스 기판의 균열)

-78 ℃ × 5 min ←→ 350 ℃ × 5 min 의 냉열 사이클을 부하시킨 후, SAT 검사에 의해, 구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을 검사하고, 세라믹스 균열을 확인하여, 균열이 확인된 사이클수를 평가하였다.

세라믹스 기판으로서 질화알루미늄 (AlN) 을 사용한 본 발명예 21 ∼ 28 에 있어서는, 상기 서술한 냉열 사이클을 8 사이클까지 실시하고, 8 사이클 후에 균열이 확인되지 않았던 것은「＞8」로 표시하였다.

세라믹스 기판으로서 질화규소 (Si₃N₄) 를 사용한 본 발명예 31 ∼ 38 에 있어서는, 상기 서술한 냉열 사이클을 16 사이클까지 실시하고, 16 사이클 후에 균열이 확인되지 않았던 것은「＞16」으로 표시하였다.

활성 금속 질화물층에 있어서의 구리 농도의 비 C2/C1 을 0.8 이하로 한 본 발명예 21 ∼ 27 에 있어서는, 상기 서술한 구리 농도의 비 C2/C1 이 0.8 을 초과하는 본 발명예 28 에 비해, 냉열 사이클 부하시의 균열의 발생을 억제할 수 있는 것이 확인되었다.

본 발명예 31 ∼ 38 에 있어서는, 동일한 활성 원소를 비교한 경우에는, 활성 금속 질화물층에 있어서의 구리 농도의 비 C2/C1 이 작은 쪽이 냉열 사이클 부하시의 균열의 발생을 억제할 수 있는 것이 확인되었다.

이상의 결과, 본 발명예에 의하면, 혹독한 냉열 사이클을 부하한 경우에도, 세라믹스 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있어, 냉열 사이클 신뢰성이 우수한 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법을 제공 가능한 것이 확인되었다.

이 발명에 의하면, 혹독한 냉열 사이클을 부하한 경우에도, 세라믹스 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있어, 냉열 사이클 신뢰성이 우수한 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.

10 : 절연 회로 기판 (구리/세라믹스 접합체)
11 : 세라믹스 기판 (세라믹스 부재)
12 : 회로층 (구리 부재)
13 : 금속층 (구리 부재)
41 : 활성 금속 질화물층
42 : Cu 함유 입자 (Cu 입자 및 Cu 와 활성 금속의 화합물 입자)
45 : Mg 고용층

Claims

구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 질소 함유 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재가 접합되어 이루어지는 구리/세라믹스 접합체로서,
상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에 있어서는, 상기 세라믹스 부재측에 Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 이상의 활성 금속의 질화물을 포함하는 활성 금속 질화물층이 형성되고, 이 활성 금속 질화물층과 상기 구리 부재 사이에 Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있고,
상기 활성 금속 질화물층의 내부에, Cu 입자 및 Cu 와 활성 금속의 화합물 입자 중 어느 일방 또는 양방으로 이루어지는 Cu 함유 입자가 분산되어 있고,
상기 세라믹스 부재측 계면으로부터 상기 활성 금속 질화물층의 전체 두께의 25 ％ 위치까지의 영역의 평균 구리 농도 C1 (원자％) 과, 상기 구리 부재측 계면으로부터 상기 활성 금속 질화물층의 전체 두께의 25 ％ 위치까지의 영역의 평균 구리 농도 C2 (원자％) 의 비 C2/C1 이 0.8 이하인 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
제 1 항에 있어서,
상기 Cu 함유 입자의 입자경이 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내인 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
제 1 항에 있어서,
상기 활성 금속 질화물층의 내부에, Mg 가 존재하는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
질소 함유 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 기판의 표면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합되어 이루어지는 절연 회로 기판으로서,
상기 구리판과 상기 세라믹스 기판 사이에 있어서는, 상기 세라믹스 기판측에 Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 이상의 활성 금속의 질화물을 포함하는 활성 금속 질화물층이 형성되고, 이 활성 금속 질화물층과 상기 구리판 사이에 Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있고,
상기 활성 금속 질화물층의 내부에, Cu 입자 및 Cu 와 활성 금속의 화합물 입자 중 어느 일방 또는 양방으로 이루어지는 Cu 함유 입자가 분산되어 있고,
상기 세라믹스 기판측 계면으로부터 상기 활성 금속 질화물층의 전체 두께의 25 ％ 위치까지의 영역의 평균 구리 농도 C1 (원자％) 과, 상기 구리판측 계면으로부터 상기 활성 금속 질화물층의 전체 두께의 25 ％ 위치까지의 영역의 평균 구리 농도 C2 (원자％) 의 비 C2/C1 이 0.8 이하인 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
제 4 항에 있어서,
상기 Cu 함유 입자의 입자경이 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내인 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
제 4 항에 있어서,
상기 활성 금속 질화물층의 내부에, Mg 가 존재하는 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 구리/세라믹스 접합체를 제조하는 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법으로서,
상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 이상의 활성 금속 및 Mg 를 배치하는 활성 금속 및 Mg 배치 공정과,
상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를, 활성 금속 및 Mg 를 개재하여 적층하는 적층 공정과,
활성 금속 및 Mg 를 개재하여 적층된 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에 있어서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정을 구비하고 있고,
상기 활성 금속 및 Mg 배치 공정에서는, 활성 금속량을 0.4 μ㏖/㎠ 이상 18.8 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 14 μ㏖/㎠ 이상 86 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내로 하고,
상기 접합 공정에서는, 440 ℃ 이상 480 ℃ 미만의 중간 온도에서 30 min 이상 150 min 이하 유지하고, 그 후, 700 ℃ 이상의 온도에서 15 min 이상 유지하는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법.
제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 절연 회로 기판의 제조 방법으로서,
상기 구리판과 상기 세라믹스 기판 사이에, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 이상의 활성 금속 및 Mg 를 배치하는 활성 금속 및 Mg 배치 공정과,
상기 구리판과 상기 세라믹스 기판을, 활성 금속 및 Mg 를 개재하여 적층하는 적층 공정과,
활성 금속 및 Mg 를 개재하여 적층된 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판을 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에 있어서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정을 구비하고 있고,
상기 활성 금속 및 Mg 배치 공정에서는, 활성 금속량을 0.4 μ㏖/㎠ 이상 18.8 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 14 μ㏖/㎠ 이상 86 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내로 하고,
상기 접합 공정에서는, 440 ℃ 이상 480 ℃ 미만의 중간 온도에서 30 min 이상 150 min 이하 유지하고, 그 후, 700 ℃ 이상의 온도에서 15 min 이상 유지하는 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판의 제조 방법.
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