KR102425880B1

KR102425880B1 - 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법

Info

Publication number: KR102425880B1
Application number: KR1020177026957A
Authority: KR
Inventors: 와타루 이와자키; 마사히토 고마사키
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2016-02-16
Publication date: 2022-07-26
Also published as: EP3279936A4; JP2016189448A; TWI683403B; US10420223B2; CN107431051B; US20180084650A1; WO2016158046A1; CN107431051A; KR20170130433A; TW201644017A; EP3279936A1; EP3279936B1; JP6332108B2

Abstract

금속층의 접합면을 구성하는 알루미늄 재료 및 히트 싱크의 접합면을 구성하는 알루미늄 재료 중 어느 일방이 알루미늄의 순도가 높은 고순도 알루미늄 재료로 되고, 타방이 알루미늄의 순도가 낮은 저순도 알루미늄 재료로 되어 있고, 상기 고순도 알루미늄 재료와 상기 저순도 알루미늄 재료의 Al 이외의 함유 원소의 농도차를 1 원자％ 이상으로 하고, 금속층과 히트 싱크를 고상 확산 접합한다.

Description

히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING SUBSTRATE FOR POWER MODULE WITH HEAT SINK}

이 발명은, 절연층과, 이 절연층의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 절연층DML 타방의 면에 형성된 금속층과, 이 금속층의 상기 절연층과는 반대측의 면에 배치된 히트 싱크를 구비한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 관한 것이다.

본원은, 2015년 3월 30일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2015-069860호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

일반적으로, 풍력 발전, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등을 제어하기 위하여 사용되는 대전력 제어용 파워 반도체 소자는 발열량이 많다. 그 때문에, 이와 같은 파워 반도체 소자를 탑재하는 기판으로는, 예를 들어 AlN (질화알루미늄), Al₂O₃ (알루미나) 등으로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 형성된 회로층과, 세라믹스 기판의 타방의 면에 형성된 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판이, 종래부터 널리 사용되고 있다.

또, 탑재한 반도체 소자 등으로부터 발생한 열을 효율적으로 방산시키기 위하여, 금속층측에 히트 싱크를 접합한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판이 제공되고 있다.

예를 들어, 특허문헌 1 에는, 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성됨과 함께, 히트 싱크가 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되고, 금속층과 히트 싱크를, 솔더링 또는 브레이징 (brazing) 에 의해 접합한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판이 개시되어 있다.

또, 특허문헌 2 에는, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에 알루미늄으로 이루어지는 회로층 및 금속층이 형성되고, 금속층과 히트 싱크 사이에 구리판이 배치되고, 금속층과 구리판, 구리판과 히트 싱크가 각각 솔더링된 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 3 에는, 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성됨과 함께, 히트 싱크가 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판에 있어서, 금속층과 히트 싱크 사이에, 구리 또는 구리 합금으로 구성된 접합재를 개재시키고, 금속층과 접합재 및 접합재와 히트 싱크를 각각 고상 확산 접합한 것이 개시되어 있다.

일본 공개특허공보 2008-016813호 일본 공개특허공보 2007-250638호 일본 공개특허공보 2014-060215호

그런데, 최근에는, 파워 반도체 소자 등의 고출력화가 진행되고 있고, 이것을 탑재하는 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판에 대해 엄격한 히트 사이클이 부하되게 되어, 종래보다 더, 히트 사이클에 대한 접합 신뢰성이 우수한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판이 요구되고 있다.

여기서, 특허문헌 1 에 기재된 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판에 있어서, 금속층과 히트 싱크를 솔더링한 경우에는, 히트 사이클 부하시에, 땜납에 크랙이 발생하여 접합률이 저하된다는 문제가 있었다.

또, 금속층과 히트 싱크를 브레이징한 경우에는, 히트 사이클 부하시에, 세라믹스 기판에 균열이 발생할 우려가 있었다.

또한, 내부에 냉각 매체의 유로 등이 형성된 복잡한 구조의 히트 싱크에 있어서는, 비교적 고상선 온도가 낮은 알루미늄 주물 합금에 의해 제조되는 경우가 있는데, 이와 같은 히트 싱크에 있어서는, 브레이징재 (brazing filler material) 를 사용하여 접합하는 것은 곤란하였다.

또, 특허문헌 2 에 기재된 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판에 있어서는, 금속층과 구리판, 구리판과 히트 싱크가 각각 솔더링되어 있으므로, 역시 히트 사이클 부하시에, 땜납에 크랙이 발생하여 접합률이 저하된다는 문제가 있었다.

또한, 특허문헌 3 에 나타내는 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판에 있어서는, 금속층과 히트 싱크 사이에, 구리 또는 구리 합금으로 구성된 접합재를 개재시키고, 금속층과 접합재 및 접합재와 히트 싱크를 각각 고상 확산 접합하고 있고, 금속층과 히트 싱크의 접합 계면에 금속간 화합물이 형성된다. 이 금속간 화합물은, 단단하여 부서지기 쉽기 때문에, 히트 사이클 부하시에 균열 등이 발생할 우려가 있었다.

이 발명은, 상기 서술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 히트 사이클이 부하된 경우여도 접합 계면에 있어서 크랙 등이 발생하는 것을 억제할 수 있는 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판을 제조 가능한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 과제를 해결하여, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태인 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 절연층과, 이 절연층의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 절연층의 타방의 면에 형성된 금속층과, 이 금속층의 상기 절연층과는 반대측의 면에 배치된 히트 싱크를 구비한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 금속층 중 상기 히트 싱크와의 접합면, 및 상기 히트 싱크 중 상기 금속층과의 접합면은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 재료로 구성되어 있고, 상기 금속층의 접합면을 구성하는 알루미늄 재료 및 상기 히트 싱크의 접합면을 구성하는 알루미늄 재료 중 어느 일방이 알루미늄의 순도가 높은 고순도 알루미늄 재료로 되고, 타방이 알루미늄의 순도가 낮은 저순도 알루미늄 재료로 되어 있고, 상기 고순도 알루미늄 재료와 상기 저순도 알루미늄 재료의 Al 이외의 함유 원소의 농도차를 1 원자％ 이상으로 하고, 상기 금속층과 상기 히트 싱크를 고상 확산 접합하는 것을 특징으로 하고 있다.

이 구성의 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서는, 상기 금속층 중 상기 히트 싱크와의 접합면, 및 상기 히트 싱크 중 상기 금속층과의 접합면은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 재료로 구성되어 있고, 이들 금속층과 히트 싱크를 고상 확산 접합하고 있다. 통상적으로, 알루미늄 재료끼리를 고상 확산시키는 경우, 알루미늄의 자기 확산 속도가 느리기 때문에, 강고한 고상 확산 접합을 얻기에는 긴 시간을 필요로 하여, 공업적으로는 실현할 수 없었다.

여기서, 본 발명에 있어서는, 상기 금속층의 접합면을 구성하는 알루미늄 재료 및 상기 히트 싱크의 접합면을 구성하는 알루미늄 재료 중 어느 일방이 알루미늄의 순도가 높은 고순도 알루미늄 재료로 되고, 타방이 알루미늄의 순도가 낮은 저순도 알루미늄 재료로 되어 있고, 상기 고순도 알루미늄 재료와 상기 저순도 알루미늄 재료의 Al 이외의 함유 원소의 농도차를 1 원자％ 이상으로 하고 있으므로, Al 이외의 함유 원소가 상기 저순도 알루미늄 재료측으로부터 상기 고순도 알루미늄 재료측으로 확산됨으로써, 알루미늄의 자기 확산이 촉진되어, 비교적 단시간에 금속층과 히트 싱크를 확실하게 고상 확산 접합하는 것이 가능해진다.

그리고, 이와 같이 히트 싱크와 금속층이 고상 확산 접합되어 있으므로, 히트 사이클을 부하한 경우여도, 접합 계면에 균열 등이 발생할 우려가 없고, 히트 사이클에 대한 접합 신뢰성이 우수한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판을 얻을 수 있다.

본 발명의 일 양태인 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서는, 상기 고순도 알루미늄 재료와 상기 저순도 알루미늄 재료는, Al 이외의 함유 원소로서, Si, Cu, Mn, Fe, Mg, Zn, Ti 및 Cr 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 함유하고, 상기 고순도 알루미늄 재료에 있어서의 상기 Al 이외의 함유 원소의 합계량과 상기 저순도 알루미늄 재료에 있어서의 상기 Al 이외의 함유 원소의 합계량의 차가 1 원자％ 이상으로 되어 있는 것이 바람직하다.

이 경우, Si, Cu, Mn, Fe, Mg, Zn, Ti 및 Cr 과 같은 원소는, 알루미늄의 자기 확산을 촉진시키는 작용 효과가 우수한 점에서, 모두 알루미늄 재료로 구성된 금속층과 히트 싱크를 단시간에 확실하게 고상 확산 접합하는 것이 가능해진다.

또, 본 발명의 일 양태인 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서는, 상기 저순도 알루미늄 재료는, Si, Cu, Mn, Fe, Mg, Zn, Ti 및 Cr 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 합계로 1 원자％ 이상 함유함과 함께, Si 의 함유량이 15 원자％ 이하, Cu 의 함유량이 10 원자％ 이하, Mn 의 함유량이 2 원자％ 이하, Fe 의 함유량이 1 원자％ 이하, Mg 의 함유량이 5 원자％ 이하, Zn 의 함유량이 10 원자％ 이하, Ti 의 함유량이 1 원자％ 이하 및 Cr 의 함유량이 1 원자％ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.

이 경우, 순도가 낮은 저순도 알루미늄 재료가 Si, Cu, Mn, Fe, Mg, Zn, Ti 및 Cr 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 합계로 1 원자％ 이상 함유하고 있기 때문에, 이들의 원소를 고순도 알루미늄 재료측으로 확산시킴으로써, 알루미늄의 자기 확산을 촉진시켜, 비교적 단시간에 금속층과 히트 싱크를 확실하게 고상 확산 접합하는 것이 가능해진다.

한편, Si 의 함유량이 15 원자％ 이하, Cu 의 함유량이 10 원자％ 이하, Mn 의 함유량이 2 원자％ 이하, Fe 의 함유량이 1 원자％ 이하, Mg 의 함유량이 5 원자％ 이하, Zn 의 함유량이 10 원자％ 이하, Ti 의 함유량이 1 원자％ 이하 및 Cr 의 함유량이 1 원자％ 이하로 제한되어 있으므로, 이들의 원소에 의해 접합 계면이 필요 이상으로 단단해지는 것을 억제할 수 있고, 히트 사이클에 대한 접합 신뢰성이 우수한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판을 확실하게 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 양태인 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서는, 상기 금속층과 상기 히트 싱크를 적층하고, 적층 방향으로 0.3 ㎫ 이상 3.0 ㎫ 이하의 하중을 부하한 상태에서, 저순도 알루미늄 재료의 고상선 온도 (K) 의 90 ％ 이상, 저순도 알루미늄 재료의 고상선 온도 미만의 유지 온도에서 1 시간 이상 유지함으로써, 상기 금속층과 상기 히트 싱크를 고상 확산 접합하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.

이 경우, 적층 방향으로 0.3 ㎫ 이상 3.0 ㎫ 이하의 하중을 부하한 상태에서, 저순도 알루미늄 재료의 고상선 온도 (K) 의 90 ％ 이상, 저순도 알루미늄 재료의 고상선 온도 미만의 유지 온도에서 1 시간 이상 유지하는 것으로 한 고상 확산 접합 조건을 채용하고 있으므로, 알루미늄의 확산 이동을 촉진할 수 있고, 상기 금속층과 상기 히트 싱크를 확실하게 접합할 수 있다.

본 발명에 의하면, 히트 사이클이 부하된 경우여도 접합 계면에 있어서 크랙 등이 발생하는 것을 억제할 수 있는 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판을 제조 가능한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공하는 것이 가능해진다.

도 1 은 본 발명의 실시형태에 관련된 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 금속층과 히트 싱크의 접합 계면의 관찰 결과 및 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 실시형태인 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈의 제조 방법을 나타내는 플로도이다.
도 4 는 본 발명의 실시형태인 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 5 는 본 발명의 그 밖의 실시형태인 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 6 은 본 발명의 그 밖의 실시형태인 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈의 개략 설명도이다.

이하에, 본 발명의 실시형태에 대해, 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 1 에, 본 발명의 일 실시형태인 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (30) 및 파워 모듈 (1) 을 나타낸다.

이 파워 모듈 (1) 은, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (30) 과, 이 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (30) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에는 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 를 구비하고 있다.

여기서, 땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 되어 있다.

또, 본 실시형태인 히트 싱크가 형성된 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, 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 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 여기서, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.2 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.

회로층 (12) 은, 도 4 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) 을 구성하는 알루미늄판 (22) 으로서, 순도 99 mass％ 이상의 2N 알루미늄의 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. 여기서, 회로층 (12) (알루미늄판 (22)) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.

금속층 (13) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판 (23) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 을 구성하는 알루미늄판 (23) 으로서, 순도 99.99 mass％ 이상의 4N 알루미늄의 압연판이 사용되고 있다. 여기서, 금속층 (13) (알루미늄판 (23)) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 6.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 2.0 ㎜ 로 설정되어 있다.

히트 싱크 (31) 는, 파워 모듈용 기판 (10) 측의 열을 방산하기 위한 것으로서, 본 실시형태에서는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 냉각 매체가 유통하는 유로 (32) 가 형성되어 있다.

이 히트 싱크 (31) 는, 금속층 (13) 을 구성하는 알루미늄 (본 실시형태에서는 순도 99.99 mass％ 이상의 4N 알루미늄) 과, 히트 싱크 (31) 를 구성하는 알루미늄 합금의 Al 이외의 함유 원소의 농도차가 1 원자％ 이상이 되는 재료로 구성된다.

보다 바람직하게는, Al 이외의 함유 원소로서, Si, Cu, Mn, Fe, Mg, Zn, Ti 및 Cr 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소로 되어 있으면 된다.

더욱 바람직하게는, Al 이외의 함유 원소로서, Si, Cu, Mn, Fe, Mg, Zn, Ti 및 Cr 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 합계로 1 원자％ 이상 함유함과 함께, Si 의 함유량이 15 원자％ 이하, Cu 의 함유량이 10 원자％ 이하, Mn 의 함유량이 2 원자％ 이하, Fe 의 함유량이 1 원자％ 이하, Mg 의 함유량이 5 원자％ 이하, Zn 의 함유량이 10 원자％ 이하, Ti 의 함유량이 1 원자％ 이하 및 Cr 의 함유량이 1 원자％ 이하로 하면 된다.

본 실시형태에 있어서, 히트 싱크 (31) 는, JIS H 2118 : 2006 에서 규정된 다이캐스트용 알루미늄 합금인 ADC12 로 구성되어 있다. 또한, 이 ADC12 는, Cu 를 1.5 mass％ 이상 3.5 mass％ 이하, Si 를 9.6 mass％ 이상 12.0 mass％ 이하의 범위에서 함유하는 알루미늄 합금이다.

그리고, 본 실시형태인 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (30) 에 있어서는, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 가 고상 확산 접합에 의해 접합되어 있다. 즉, 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 이 순도 99.99 mass％ 이상의 4N 알루미늄으로 구성됨과 함께, 히트 싱크 (31) 가 다이캐스트용 알루미늄 합금인 ADC12 로 구성되어 있는 점에서, 이들 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 에서 알루미늄의 순도가 상이하고, 금속층 (13) 이 고순도 알루미늄 재료로 구성되고, 히트 싱크 (31) 가 저순도 알루미늄 재료로 구성되어 있다.

여기서, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 의 접합 계면을 니혼 전자 주식회사 제조 JXA-8530F 를 사용하여, SEM, EPMA 에 의한 매핑의 관찰 결과를, 도 2(a) ∼ (c) 에 나타낸다. 도 2(a) ∼ (c) 로부터, 히트 싱크 (31) 에 함유되는 첨가 원소 (Cu, Si) 가 금속층 (13) 측으로 확산되어 있는 것이 확인된다. 또한, 접합 계면으로부터 금속층 (13) 측으로의 확산 깊이는, Cu 가 10 ㎛ 이상, Si 가 45 ㎛ 이상으로 되어 있다. 또한, Cu 가 25 ㎛ 이상, Si 가 45 ㎛ 이상으로 되어 있어도 된다.

다음으로, 상기 서술한 본 실시형태인 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (30) 의 제조 방법에 대해, 도 3 및 도 4 를 참조하여 설명한다.

(알루미늄판 접합 공정 S01)

먼저, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (12) 이 되는 알루미늄판 (22) 및 금속층 (13) 이 되는 알루미늄판 (23) 과, 세라믹스 기판 (11) 을 접합한다. 본 실시형태에서는, 2N 알루미늄의 압연판으로 이루어지는 알루미늄판 (22) 및 4N 알루미늄의 압연판으로 이루어지는 알루미늄판 (23) 과 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (11) 을, 각각 Al-Si 계 브레이징재 (24) 에 의해 접합한다.

이 알루미늄판 접합 공정 S01 에 있어서는, 먼저, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 및 타방의 면에, 각각 Al-Si 계 브레이징재 (24) 를 개재하여 알루미늄판 (22), 알루미늄판 (23) 을 적층한다 (알루미늄판 적층 공정 S11).

다음으로, 적층한 세라믹스 기판 (11), 알루미늄판 (22), 알루미늄판 (23) 을 적층 방향으로 0.1 ㎫ 이상 3.5 ㎫ 이하의 하중을 부하한 상태에서, 진공 또는 아르곤 분위기의 가열로 내에 장입하고, 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하, 0.5 시간 이상 3 시간 이하 유지함으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (22), 알루미늄판 (23) 사이에 용융 금속 영역을 형성한다 (가열 공정 S12).

그 후, 냉각시킴으로써 용융 금속 영역을 응고시킨다 (응고 공정 S13). 이와 같이 하여, 알루미늄판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (23) 을 접합하여, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 을 형성한다. 이로써, 본 실시형태에 있어서의 파워 모듈용 기판 (10) 이 제조된다.

(히트 싱크 접합 공정 S02)

다음으로, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 의 타방의 면 (세라믹스 기판 (11) 과의 접합면과는 반대측의 면) 에 히트 싱크 (31) 를 접합한다.

이 히트 싱크 접합 공정 S02 에 있어서는, 먼저, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 파워 모듈용 기판 (10) 의 타방의 면측에 히트 싱크 (31) 를 적층한다 (히트 싱크 적층 공정 S21).

이 파워 모듈용 기판 (10) 과 히트 싱크 (31) 의 적층체를, 적층 방향으로 0.3 ㎫ 이상 3.0 ㎫ 이하의 하중을 부하한 상태에서, 진공 가열로 중에 장입한다.

그리고, 저순도 알루미늄 재료의 고상선 온도 (K) 의 90 ％ 이상, 저순도 알루미늄 재료의 고상선 온도 미만의 온도에서, 1 시간 이상 유지하여 고상 확산 접합을 실시한다 (고상 확산 접합 공정 S22). 또한, 저순도 알루미늄 재료의 고상선 온도 (K) 의 90 ％ 란, 저순도 알루미늄 재료의 고상선 온도를 절대 온도로 나타냈을 때의 90 ％ 의 온도를 말한다. 본 실시형태에서는, ADC12 가 저순도 알루미늄 재료가 되고, 그 고상선 온도는 788 K (515 ℃) 이다. 따라서, 가열 온도는 고상선 온도의 90 ％, 즉, 709.2 K (436.2 ℃) 이상, 고상선 온도 미만, 즉, 788 K (515 ℃) 미만이 된다.

본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 의 접합면은, 미리 당해 면의 흠집이 제거되어 평활하게 된 후에, 고상 확산 접합되어 있다. 또한, 이 때의 금속층 (13) 및 히트 싱크 (31) 의 각각의 접합면에 있어서의 표면 조도는, 산술 평균 조도 Ra (JIS B 0601 (1994)) 로 0.5 ㎛ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.

이와 같이 하여, 본 실시형태인 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (30) 이 제조된다.

(반도체 소자 접합 공정 S03)

다음으로, 파워 모듈용 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 만들어진다.

이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태에 관련된 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (30) 의 제조 방법에 의하면, 금속층 (13) 을 구성하는 알루미늄 재료가 순도 99.99 mass％ 이상의 4N 알루미늄으로 되고, 히트 싱크 (31) 를 구성하는 알루미늄 재료가 ADC12 (Cu : 1.5 mass％ 이상 3.5 mass％ 이하, Si : 9.6 mass％ 이상 12.0 mass％ 이하) 로 구성되어 있기 때문에, 고상 확산 접합시에 있어서, 히트 싱크 (31) 의 Cu 및 Si 가 금속층 (13) 측으로 확산되고, 알루미늄의 자기 확산이 촉진된다. 이로써, 비교적 단시간에 금속층과 히트 싱크를 확실하게 고상 확산 접합하는 것이 가능해진다.

그리고, 본 실시형태에 있어서는, 모두 알루미늄 재료로 구성된 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 가 고상 확산 접합되어 있으므로, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 히트 싱크 (31) 와 금속층 (13) 의 접합 계면에는, 이상 (異相) 이 형성되어 있지 않다.

따라서, 히트 사이클을 부하한 경우여도, 접합 계면에 균열 등이 발생할 우려가 없고, 히트 사이클에 대한 접합 신뢰성이 우수한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (30) 을 제조할 수 있다.

또, 본 실시형태에 있어서는, 히트 싱크 (31) 를 구성하는 알루미늄 재료가 ADC12 (Cu : 1.5 mass％ 이상 3.5 mass％ 이하, Si : 9.6 mass％ 이상 12.0 mass％ 이하) 로 구성되어 있고, 이들 Cu 및 Si 는, 알루미늄의 자기 확산을 촉진시키는 작용 효과가 우수한 점에서, 모두 알루미늄 재료로 구성된 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 를, 단시간에 확실하게 고상 확산 접합하는 것이 가능해진다.

또한, 히트 싱크 (31) 를 구성하는 알루미늄 재료에 있어서, Si 의 함유량이 12.0 mass％ 이하 (11.6 원자％ 이하 (환산치)), Cu 의 함유량이 3.5 mass％ 이하 (1.5 원자％ 이하 (환산치)) 로 되어 있으므로, 이들의 원소에 의해 접합 계면이 필요 이상으로 단단해지는 것을 억제할 수 있고, 히트 사이클에 대한 접합 신뢰성이 우수한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판을 확실하게 제조할 수 있다.

또, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 를 적층하고, 적층 방향으로 0.3 ㎫ 이상 3.0 ㎫ 이하의 하중을 부하한 상태에서, 저순도 알루미늄 재료의 고상선 온도 (K) 의 90 ％ 이상 저순도 알루미늄 재료의 고상선 온도 미만의 유지 온도에서 1 시간 이상 유지함으로써, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 를 고상 확산 접합하고 있기 때문에, 알루미늄의 확산 이동을 촉진할 수 있고, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 를 확실하게 접합할 수 있다.

하중이 0.3 ㎫ 이상인 경우, 접합 초기의 접촉 면적이 충분히 확보됨으로써 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 를 양호하게 접합할 수 있다. 또, 하중이 3.0 ㎫ 이하인 경우, 금속층 (13) 이나 히트 싱크 (31) 에 변형이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

유지 온도가 저순도 알루미늄 재료의 고상선 온도 (K) 의 90 ％ 이상인 경우, 충분한 확산 속도를 확보할 수 있고, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 를 양호하게 접합할 수 있다. 유지 온도가 저순도 알루미늄 재료의 고상선 온도 미만인 경우, 액상이 발생하는 경우가 없고, 또, 금속층 (13) 이나 히트 싱크 (31) 에 변형이 발생하는 것을 억제할 수 있기 때문에, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 를 확실하게 고상 확산 접합할 수 있다.

유지 시간이 1 시간 이상인 경우, 고상 확산을 충분히 진행시킬 수 있고, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 를 양호하게 접합할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 접합 전의 금속층 (13) 및 히트 싱크 (31) 의 접합면의 흠집을 제거함과 함께, 그 표면 조도를, 산술 평균 조도 Ra (JIS B 0601 (1994)) 로 0.5 ㎛ 이하의 범위 내로 설정하고 있기 때문에, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 를 확실하게 접촉시켜, 알루미늄 원자, 및 히트 싱크 (31) 의 첨가 원소 (Cu, Si) 의 확산 이동을 촉진시킬 수 있고, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 를 확실하게 접합할 수 있다.

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

예를 들어, 금속층 및 히트 싱크의 재질은, 본 실시형태에 한정되지는 않으며, 금속층의 접합면을 구성하는 알루미늄 재료 및 히트 싱크의 접합면을 구성하는 알루미늄 재료 중, 어느 일방이 알루미늄의 순도가 높은 고순도 알루미늄 재료로 되고, 타방이 알루미늄의 순도가 낮은 저순도 알루미늄 재료로 되고, 고순도 알루미늄 재료와 저순도 알루미늄 재료의 Al 이외의 함유 원소의 농도차가 1 원자％ 이상으로 되어 있으면 된다.

구체적으로는, 본 실시형태에서는, 금속층을 순도 99.99 mass％ 의 4N 알루미늄으로 구성된 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지는 않으며, 다른 순알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된 것이어도 된다. 예를 들어, A1050 이나 A1085 등의 순도 99 mass％ 이상의 2N 알루미늄을 사용해도 된다. 이 경우, 금속층의 초기의 불순물 농도가 높은 점에서, 접합 온도에 있어서의 결정립 성장이 억제되고, 입계 확산을 기대할 수 있기 때문에, 히트 싱크측으로부터의 함유 원소의 확산 이동을 촉진하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시형태에서는, 히트 싱크를 ADC12 로 구성한 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지는 않으며, 다른 순알루미늄 또는 A3003 이나 A6063 등의 알루미늄 합금으로 구성된 것이어도 된다.

또, 히트 싱크측이 고순도 알루미늄 재료로 되고, 금속층측이 저순도 알루미늄 재료로 구성되어 있어도 된다.

또, 본 실시형태에서는, 금속층 전체가 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지는 않으며, 예를 들어 도 5 에 나타내는 바와 같이, 금속층 중 히트 싱크와의 접합면이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되어 있으면 된다. 이 도 5 에 나타내는 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (130) 및 파워 모듈 (101) 에 있어서는, 금속층 (113) 이, 구리층 (113A) 과 알루미늄층 (113B) 이 적층된 구조로 되어 있고, 세라믹스 기판 (11) 과 구리층 (113A) 이 접합되고, 알루미늄층 (113B) 과 히트 싱크 (131) 가 고상 확산 접합되어 있다. 또한, 도 5 에 있어서는, 회로층 (112) 도 구리층 (112A) 과 알루미늄층 (112B) 이 적층된 구조로 되어 있고, 알루미늄층 (112B) 에 반도체 소자 (3) 가 땜납층 (2) 을 개재하여 접합되어 있다.

마찬가지로, 본 실시형태에서는, 히트 싱크 전체가 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지는 않으며, 예를 들어 도 6 에 나타내는 바와 같이, 히트 싱크 중 금속층과의 접합면이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되어 있으면 된다. 이 도 6 에 나타내는 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (230) 및 파워 모듈 (201) 에 있어서는, 히트 싱크 (231) 가, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄층 (231B) 과 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 히트 싱크 본체 (231A) 가 적층된 구조로 되어 있고, 금속층 (213) 과 알루미늄층 (231B) (히트 싱크 (231)) 이 고상 확산 접합되어 있다.

또, 본 실시형태에서는, 회로층을 구성하는 알루미늄판을, 순도가 99 mass％ 이상인 2N 알루미늄으로 구성된 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지는 않으며, 순도 99.99 mass％ 이상의 순알루미늄이나, 다른 순알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된 것이어도 된다.

또한, 본 발명에 있어서는 회로층의 구조에 한정은 없고, 적절히 설계 변경할 수 있다. 예를 들어, 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있어도 되고, 도 5 에 나타내는 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판 (130) 및 파워 모듈 (101) 과 같이, 회로층 (112) 이 구리층 (112A) 과 알루미늄층 (112B) 의 적층 구조로 되어 있어도 된다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 회로층 및 금속층이 되는 알루미늄판과 세라믹스 기판을, Al-Si 계 브레이징재를 사용하여 접합하는 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지는 않으며, 과도 액상 접합법 (Transient Liquid Phase Bonding), 주조법, 금속 페이스트법 등을 사용하여 접합해도 된다.

또, 본 실시형태에 있어서는, 절연층을 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판으로 구성한 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지는 않으며, Si₃N₄ 나 Al₂O₃ 등의 다른 세라믹스 기판을 사용해도 된다.

또한, 절연층, 회로층, 금속층, 히트 싱크의 두께는, 본 실시형태에 한정되지는 않으며, 적절히 설계 변경해도 된다.

실시예

본 발명의 유효성을 확인하기 위하여 실시한 확인 실험에 대해 설명한다.

도 3 의 플로도에 기재한 순서에 따라, 본 발명예 및 비교예의 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판을 제작하였다.

또한, 세라믹스 기판은, AlN 으로 구성되고, 40 ㎜ × 40 ㎜, 두께 0.635 ㎜ 인 것을 사용하였다.

회로층은, 순도 99 mass％ 이상의 2N 알루미늄의 압연판 (37 ㎜ × 37 ㎜, 두께 0.6 ㎜) 을 Al-7.5 mass％ Si 브레이징재를 사용하여 세라믹스 기판에 접합함으로써 형성하였다.

금속층은, 표 1 에 나타내는 알루미늄 재료로 이루어지는 압연판 (37 ㎜ × 37 ㎜, 두께 0.6 ㎜) 을 Al-7.5 mass％ Si 브레이징재를 사용하여 세라믹스 기판에 접합함으로써 형성하였다.

히트 싱크는, 표 2 에 기재된 재질로 구성되고, 50 ㎜ × 50 ㎜, 두께 5 ㎜ 인 것을 사용하였다.

금속층과 히트 싱크의 고상 확산 접합은, 표 3 에 나타내는 조건으로 실시하였다.

또, 종래예 1 내지 3 으로서 다음의 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판을 제작하였다.

회로층이 되는 2N 알루미늄의 압연판 (37 ㎜ × 37 ㎜, 두께 0.6 ㎜) 과 AlN 으로 구성된 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜, 두께 0.635 ㎜) 과 금속층이 되는 4N 알루미늄의 압연판 (37 ㎜ × 37 ㎜, 두께 0.6 ㎜) 을, Al-7.5 mass％ Si 브레이징재를 개재하여 적층하고, 적층 방향으로 5 ㎏f/㎠ 로 가압한 상태에서, 진공 가열로 내에 장입하고, 650 ℃ 에서 30 분 가열함으로써 접합하여, 파워 모듈용 기판을 제작하였다.

그리고, 종래예 1 에서는, 파워 모듈용 기판과 Ni 도금을 실시한 히트 싱크 (A6063 의 압연판, 50 ㎜ × 50 ㎜, 두께 5 ㎜) 를 Sn-Ag-Cu 땜납을 개재하여 접합하였다.

종래예 2 에서는, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크 (A6063 의 압연판, 50 ㎜ × 50 ㎜, 두께 5 ㎜) 를 Al-10 mass％ Si 브레이징재를 개재하여 접합하였다.

종래예 3 에서는, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크 (A6063 의 압연판, 50 ㎜ × 50 ㎜, 두께 5 ㎜) 를 Cu 박 (두께 : 200 ㎛) 을 개재하여 고상 확산 접합하였다.

(함유 원소의 확산 거리)

얻어진 본 발명예의 히트 싱크와 금속층의 접합 계면 근방의 단면 관찰을 실시하고, 저순도 알루미늄 재료측으로부터 고순도 알루미늄 재료측으로의 Al 이외의 함유 원소의 확산 거리를 측정하였다. 평가 결과를 표 4 에 나타낸다.

함유 원소의 확산 거리는, 저순도 알루미늄 재료와 고순도 알루미늄 재료의 접합 계면으로부터 고순도 알루미늄 재료측을 향하여 EPMA (니혼 전자 주식회사 제조 JXA-8530F) 에 의한 라인 분석을 실시하여, 거리와 함유 원소 농도를 측정하고, 함유 원소 농도가 저순도 알루미늄 재료에 함유되어 있는 함유 원소의 농도의 절반이 되는 거리를 확산 거리로 하였다.

(히트 사이클 시험)

히트 사이클 시험은, 냉열 충격 시험기 에스펙사 제조 TSB-51 을 사용하고, 시험편 (히트 싱크가 형성된 파워 모듈) 에 대해, 액상 (플루오리너트) 에서, ―40 ℃ 에서 5 분과 150 ℃ 에서 5 분의 히트 사이클을 4000 회 실시하였다.

그리고, 히트 사이클 시험 전후의 접합률을 이하와 같이 하여 평가하였다. 또, 히트 사이클 시험 후의 세라믹스 균열의 유무를 육안으로 평가하였다. 평가 결과를 표 4 에 나타낸다.

(접합률)

금속층과 히트 싱크의 접합률은, 초음파 탐상 장치 (히타치 파워 솔루션즈사 제조 FineSAT200) 를 사용하여 이하의 식을 사용하여 구하였다. 여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적 (가로세로 37 ㎜) 으로 하였다. 초음파 탐상 이미지를 2 치화 처리한 화상에 있어서 박리는 접합부 내의 백색부로 나타나는 점에서, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 하였다.

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

종래예 1 에서는, 히트 사이클 시험 후에 접합률이 크게 저하되었다. 히트 사이클에 의해 땜납층에 크랙이 발생했기 때문인 것으로 추측된다.

종래예 2 에서는, 히트 사이클 시험 후에 접합률이 저하되고, 세라믹스 기판에 균열이 확인되었다.

또, 금속층과 히트 싱크를 동일한 순도의 알루미늄 재료로 구성한 비교예 1 - 3 에 있어서는, 상기 서술한 고상 확산 조건에서는, 금속층과 히트 싱크를 접합할 수 없었다.

이에 반하여, 본 발명예에서는, 모두 히트 사이클 후에 접합률이 크게 상승하지 않았고, 또, 세라믹스 균열도 확인되지 않아, 접합 신뢰성이 우수하였다.

이상과 같은 점에서, 본 발명에 의하면, 히트 사이클이 부하된 경우여도 접합 계면에 있어서 크랙 등이 발생하는 것을 억제할 수 있는 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판을 제조 가능하다는 것이 확인되었다.

본 발명의 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 비교적 단시간에 금속층과 히트 싱크를 확실하게 고상 확산 접합하는 것이 가능해진다. 또, 히트 싱크와 금속층이 고상 확산 접합되어 있으므로, 히트 사이클을 부하한 경우여도, 접합 계면에 균열 등이 발생할 우려가 없고, 히트 사이클에 대한 접합 신뢰성이 우수한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판을 얻을 수 있다.

1, 101, 201 : 파워 모듈
10, 110, 210 : 파워 모듈용 기판
11 : 세라믹스 기판
12, 112, 212 : 회로층
13, 113, 213 : 금속층
30, 130, 230 : 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판
31, 131, 231 : 히트 싱크

Claims

절연층과, 이 절연층의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 절연층의 타방의 면에 형성된 금속층과, 이 금속층의 상기 절연층과는 반대측의 면에 배치된 히트 싱크를 구비한 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
상기 금속층 중 상기 히트 싱크와의 접합면, 및 상기 히트 싱크 중 상기 금속층과의 접합면은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 재료로 구성되어 있고,
상기 금속층의 접합면을 구성하는 알루미늄 재료 및 상기 히트 싱크의 접합면을 구성하는 알루미늄 재료 중 어느 일방이 알루미늄의 순도가 높은 고순도 알루미늄 재료로 되고, 타방이 알루미늄의 순도가 낮은 저순도 알루미늄 재료로 되어 있고,
상기 고순도 알루미늄 재료와 상기 저순도 알루미늄 재료의 Al 이외의 함유 원소의 농도차를 1 원자％ 이상으로 하고,
상기 금속층과 상기 히트 싱크를 고상 확산 접합하는, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 고순도 알루미늄 재료와 상기 저순도 알루미늄 재료는, Al 이외의 함유 원소로서, Si, Cu, Mn, Fe, Mg, Zn, Ti 및 Cr 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 함유하고, 상기 고순도 알루미늄 재료에 있어서의 상기 Al 이외의 함유 원소의 합계량과 상기 저순도 알루미늄 재료에 있어서의 상기 Al 이외의 함유 원소의 합계량의 차가 1 원자％ 이상으로 되어 있는, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 저순도 알루미늄 재료는, Si, Cu, Mn, Fe, Mg, Zn, Ti 및 Cr 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 합계로 1 원자％ 이상 함유함과 함께, Si 의 함유량이 15 원자％ 이하, Cu 의 함유량이 10 원자％ 이하, Mn 의 함유량이 2 원자％ 이하, Fe 의 함유량이 1 원자％ 이하, Mg 의 함유량이 5 원자％ 이하, Zn 의 함유량이 10 원자％ 이하, Ti 의 함유량이 1 원자％ 이하 및 Cr 의 함유량이 1 원자％ 이하로 되어 있는, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 금속층과 상기 히트 싱크를 적층하고, 적층 방향으로 0.3 ㎫ 이상 3.0 ㎫ 이하의 하중을 부하한 상태에서, 상기 저순도 알루미늄 재료의 고상선 온도 (K) 의 90 ％ 이상, 상기 저순도 알루미늄 재료의 고상선 온도 미만의 유지 온도에서 1 시간 이상 유지함으로써, 상기 금속층과 상기 히트 싱크를 고상 확산 접합하는, 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.