KR102459745B1 - 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및, 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 구리/세라믹스 접합체는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 질화알루미늄 또는 질화규소로 이루어지는 세라믹스 부재가 접합되고, 구리 부재와 세라믹스 부재 사이에 있어서는, 세라믹스 부재측에, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속의 질화물로 이루어지는 활성 금속 질화물층이 형성되고, 이 활성 금속 질화물층과 구리 부재 사이에 Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있고, Mg 고용층에는 활성 금속이 존재한다.

Description

구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및, 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법
본 발명은, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 질화알루미늄 또는 질화규소로 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, 2017년 2월 28일에 일본에서 출원된 특허출원 2017-036841호, 및 2018년 1월 25일에 일본에서 출원된 특허출원 2018-010964호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
파워 모듈, LED 모듈 및 열전 모듈에 있어서는, 절연층의 일방의 면에 도전재료로 이루어지는 회로층을 형성한 절연 회로 기판에, 파워 반도체 소자, LED 소자 및 열전 소자가 접합된 구조를 구비하고 있다.
예를 들어, 풍력 발전, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등을 제어하기 위해 사용되는 대전력 제어용의 파워 반도체 소자는, 동작시의 발열량이 많다. 그 때문에, 파워 반도체 소자를 탑재하는 기판으로는, 예를 들어 질화알루미늄이나 질화규소 등으로 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 생성시킴으로써, 구리판과 세라믹스 기판을 접합하고 있다.
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, 용융된 브레이징재와 세라믹스 기판의 젖음성이 향상되어, 세라믹스 기판과 구리판이 양호하게 접합된다.
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 구성을 구비하고 있고, Cu-Mg-Ti 합금 중의 Mg 는 승화되어 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 열화되어 버릴 우려가 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 발생하기 쉽고, 고내압 용도에는 사용할 수 없었다. 또, 접합 온도가 900 ℃ 로 비교적 고온으로 되어 있는 점에서, 역시 세라믹스 기판이 열화되어 버린다는 문제가 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 잔존하여, 부분 방전이 발생하기 쉽다는 문제가 있었다. 또, 합금분을 사용하고 있는 점에서, 합금분의 조성 편차에 따라 용융 상황이 불균일해져, 계면 반응이 불충분한 영역이 국소적으로 형성될 우려가 있었다. 또, 페이스트에 함유되는 유기물이 접합 계면에 잔존하여, 접합이 불충분해질 우려가 있었다.
본 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합되고, 내마이그레이션성이 우수한 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 일 양태인 구리/세라믹스 접합체는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 질화알루미늄 또는 질화규소로 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 또는 2 종 이상의 활성 금속의 질화물을 함유하는 활성 금속 질화물층이 형성되고, 이 활성 금속 질화물층과 상기 구리 부재 사이에 Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있고, 상기 Mg 고용층에는, 상기 활성 금속이 존재하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 질화알루미늄 또는 질화규소로 이루어지는 세라믹스 부재 사이에 있어서는, 상기 세라믹스 부재측에, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속의 질화물을 함유하는 활성 금속 질화물층이 형성되어 있다. 이 활성 금속 질화물층은, 세라믹스 부재와 구리 부재 사이에 배치 형성된 활성 금속과 세라믹스 부재 중의 질소가 반응함으로써 형성되는 것으로, 세라믹스 부재가 충분히 반응하고 있다.
활성 금속 질화물층과 상기 구리 부재 사이에는, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있고, 이 Mg 고용층에 상기 활성 금속이 존재하므로, 세라믹스 부재와 구리 부재 사이에 배치 형성된 Mg 가 구리 부재측으로 충분히 확산되어 있고, 또한, Cu 와 활성 금속이 충분히 반응하고 있다.
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, 접합 계면에 Ag 가 존재하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성도 우수하다.
본 발명의 일 양태인 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 Mg 고용층에는, Cu 와 상기 활성 금속을 함유하는 금속간 화합물상이 분산되어 있는 구성으로 해도 된다.
Mg 고용층에 있어서 활성 금속은, 활성 금속으로서 Ti, Zr, Hf 를 함유하는 경우에는, Cu 와 상기 활성 금속의 금속간 화합물상으로서 존재한다. 이 때문에, Mg 고용층에 Cu 와 상기 활성 금속의 금속간 화합물상이 존재함으로써, 세라믹스 부재와 구리 부재 사이에 배치 형성된 Mg 가 구리 부재측으로 충분히 확산되고, Cu 와 활성 금속이 충분히 반응하고 있어, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합된 구리/세라믹스 접합체를 얻을 수 있다.
본 발명의 일 양태인 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 활성 금속 질화물층의 내부에, Cu 입자가 분산되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 구리 부재의 Cu 가 세라믹스 부재와 충분히 반응하고 있게 되어, 구리 부재와 세라믹스 부재가 강고하게 접합된 구리/세라믹스 접합체를 얻는 것이 가능해진다. Cu 입자는, Cu 단체 (單體) 또는 Cu 를 함유하는 금속간 화합물이고, 활성 금속 질화물층이 형성될 때에, 액상 중에 존재하고 있던 Cu 가 석출됨으로써 생성되어 있다.
본 발명의 일 양태인 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 활성 금속이 Ti 여도 된다.
이 경우, 상기 활성 금속 질화물층으로서 질화티탄층이 형성되고, 상기 Mg 고용층에, Cu 와 Ti 를 함유하는 금속간 화합물상이 분산되게 되어, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합되고, 내마이그레이션성이 우수한 구리/세라믹스 접합체를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 양태인 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 세라믹스 부재와 상기 구리 부재 사이에 있어서, 상기 세라믹스 부재의 접합면으로부터 상기 구리 부재측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu2Mg 상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 취약한 Cu2Mg 상의 면적률이 15 ％ 이하로 제한되어 있으므로, 예를 들어 초음파 접합 등을 실시한 경우라도, 접합 계면에 있어서의 균열 등의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
본 발명의 일 양태인 절연 회로 기판은, 질화알루미늄 또는 질화규소로 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 또는 2 종 이상의 활성 금속의 질화물을 함유하는 활성 금속 질화물층이 형성되고, 이 활성 금속 질화물층과 상기 구리판 사이에 Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있고, 상기 Mg 고용층에는, 상기 활성 금속이 존재하는 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.
본 발명의 일 양태인 절연 회로 기판에 있어서는, 상기 Mg 고용층에는, Cu 와 상기 활성 금속을 함유하는 금속간 화합물상이 분산되어 있는 구성으로 해도 된다.
Mg 고용층에 있어서 활성 금속은, 활성 금속으로서 Ti, Zr, Hf 를 함유하는 경우에는, Cu 와 상기 활성 금속의 금속간 화합물상으로서 존재한다. 이 때문에, Mg 고용층에 Cu 와 상기 활성 금속의 금속간 화합물상으로서 존재함으로써, 구리판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합된 절연 회로 기판을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 양태인 절연 회로 기판에 있어서는, 상기 활성 금속 질화물층의 내부에, Cu 입자가 분산되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 구리판의 Cu 가 세라믹스 기판과 충분히 반응하고 있게 되어, 구리판과 세라믹스 기판이 강고하게 접합된 절연 회로 기판을 얻는 것이 가능해진다. Cu 입자는, Cu 단체 또는 Cu 를 함유하는 금속간 화합물이고, 활성 금속 질화물층이 형성될 때에, 액상 중에 존재하고 있던 Cu 가 석출됨으로써 생성되어 있다.
본 발명의 일 양태인 절연 회로 기판에 있어서는, 상기 활성 금속이 Ti 여도 된다.
이 경우, 상기 활성 금속 질화물층으로서 질화티탄층이 형성되고, 상기 Mg 고용층에, Cu 와 Ti 를 함유하는 금속간 화합물상이 분산되게 되어, 구리판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합되고, 내마이그레이션성이 우수한 절연 회로 기판을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 양태인 절연 회로 기판에 있어서는, 상기 세라믹스 기판과 상기 구리판 사이에 있어서, 상기 세라믹스 기판의 접합면으로부터 상기 구리판측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu2Mg 상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 취약한 Cu2Mg 상의 면적률이 15 ％ 이하로 제한되어 있으므로, 예를 들어 초음파 접합 등을 실시한 경우라도, 접합 계면에 있어서의 균열 등의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
본 발명의 일 양태인 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법은, 상기 서술한 구리/세라믹스 접합체를 제조하는 방법으로서, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속의 단체 및 Mg 단체를 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 μmol/㎠ 이상 47.0 μmol/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 7.0 μmol/㎠ 이상 143.2 μmol/㎠ 이하의 범위 내로 하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법에 의하면, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에 활성 금속의 단체 및 Mg 단체를 배치하고, 이것들을 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에 있어서 가열 처리하므로, 접합 계면에 가스나 유기물의 잔류물 등이 잔존하는 경우가 없다. 또, 활성 금속의 단체 및 Mg 단체를 배치하고 있으므로, 조성의 편차가 없어, 균일하게 액상이 생성된다.
활성 금속 및 Mg 배치 공정에서는, 활성 금속량을 0.4 μmol/㎠ 이상 47.0 μmol/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 7.0 μmol/㎠ 이상 143.2 μmol/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있으므로, 계면 반응에 필요한 액상을 충분히 얻을 수 있음과 함께, 세라믹스 부재의 필요 이상의 반응을 억제할 수 있다.
따라서, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합된 구리/세라믹스 접합체를 얻을 수 있다. 또, 접합에 Ag 를 사용하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성이 우수한 구리/세라믹스 접합체를 얻을 수 있다.
본 발명의 일 양태인 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법에 있어서는, 상기 접합 공정에 있어서의 가압 하중이 0.049 MPa 이상 3.4 MPa 이하의 범위 내로 되고, 상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도는, Cu 와 Mg 가 접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 500 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내, Cu 와 Mg 가 비접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 670 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 접합 공정에 있어서의 가압 하중이 0.049 MPa 이상 3.4 MPa 이하의 범위 내로 되어 있으므로, 세라믹스 부재와 구리 부재와 활성 금속 및 Mg 를 밀착시킬 수 있어, 가열시에 이것들의 계면 반응을 촉진시킬 수 있다.
상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도가, Cu 와 Mg 가 접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 Cu 와 Mg 의 공정 온도보다 높은 500 ℃ 이상으로 하고, Cu 와 Mg 가 비접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 Mg 의 융점보다 높은 670 ℃ 이상으로 하고 있으므로, 접합 계면에 있어서 충분히 액상을 생성시킬 수 있다.
상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도가 850 ℃ 이하로 되어 있으므로, Cu 와 활성 금속의 공정 반응의 발생을 억제할 수 있어, 액상이 과잉으로 생성되는 것을 억제할 수 있다. 또, 세라믹스 부재에 대한 열 부하가 작아져, 세라믹스 부재의 열화를 억제할 수 있다.
본 발명의 일 양태인 절연 회로 기판의 제조 방법은, 질화알루미늄 또는 질화규소로 이루어지는 세라믹스 기판의 표면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합되어 이루어지는 절연 회로 기판을 제조하는 절연 회로 기판의 제조 방법으로서, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판 사이에, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속의 단체 및 Mg 단체를 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 μmol/㎠ 이상 47.0 μmol/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 7.0 μmol/㎠ 이상 143.2 μmol/㎠ 이하의 범위 내로 하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 절연 회로 기판의 제조 방법에 의하면, 구리판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합된 절연 회로 기판을 얻을 수 있다. 또, 접합에 Ag 를 사용하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성이 우수한 절연 회로 기판을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 양태인 절연 회로 기판의 제조 방법에 있어서는, 상기 접합 공정에 있어서의 가압 하중이 0.049 MPa 이상 3.4 MPa 이하의 범위 내로 되고, 상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도는, Cu 와 Mg 가 접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 500 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내, Cu 와 Mg 가 비접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 670 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 접합 공정에 있어서의 가압 하중이 0.049 MPa 이상 3.4 MPa 이하의 범위 내로 되어 있으므로, 세라믹스 기판과 구리판과 활성 금속 및 Mg 를 밀착시킬 수 있어, 가열시에 이것들의 계면 반응을 촉진시킬 수 있다.
상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도가, Cu 와 Mg 가 접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 Cu 와 Mg 의 공정 온도보다 높은 500 ℃ 이상으로 하고, Cu 와 Mg 가 비접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 Mg 의 융점보다 높은 670 ℃ 이상으로 하고 있으므로, 접합 계면에 있어서 충분히 액상을 생성시킬 수 있다.
상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도가 850 ℃ 이하로 되어 있으므로, Cu 와 활성 금속의 공정 반응의 발생을 억제할 수 있어, 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 접합되고, 내마이그레이션성이 우수한 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및, 상기 서술한 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법을 제공하는 것이 가능해진다.
도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태인 절연 회로 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는, 본 발명의 제 1 실시형태인 절연 회로 기판의 회로층 (구리 부재) 및 금속층 (구리 부재) 과 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) 의 접합 계면의 모식도이다.
도 3 은, 본 발명의 제 1 실시형태인 절연 회로 기판의 제조 방법을 나타내는 플로도이다.
도 4 는, 본 발명의 제 1 실시형태인 절연 회로 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 5 는, 본 발명의 제 2 실시형태인 절연 회로 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 6 은, 본 발명의 제 2 실시형태인 절연 회로 기판의 회로층 (구리 부재) 과 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) 의 접합 계면의 모식도이다.
도 7 은, 본 발명의 제 2 실시형태인 절연 회로 기판의 제조 방법을 나타내는 플로도이다.
도 8 은, 본 발명의 제 2 실시형태인 절연 회로 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 9a 는, 본 발명예 5 의 구리/세라믹스 접합체에 있어서의 구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면의 관찰 결과이다.
도 9b 는, 본 발명예 5 의 구리/세라믹스 접합체에 있어서의 구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면의 관찰 결과이다.
도 9c 는, 본 발명예 5 의 구리/세라믹스 접합체에 있어서의 구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면의 관찰 결과이다.
도 10a 는, 실시예 3 에 있어서의 풀 강도의 측정 방법을 나타내는 설명도이다.
도 10b 는, 실시예 3 에 있어서의 풀 강도의 측정 방법을 나타내는 설명도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
(제 1 실시형태)
본 발명의 제 1 실시형태에 대해, 도 1 내지 도 4 를 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 제 1 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 ∼ 1.5 mm 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 mm 로 설정되어 있다.
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, 무산소동의 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 탑재면이다. 회로층 (12) 의 두께는 0.1 mm 이상 2.0 mm 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 mm 로 설정되어 있다.
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, 무산소동의 압연판이 사용되고 있다. 금속층 (13) 의 두께는 0.1 mm 이상 2.0 mm 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 mm 로 설정되어 있다.
히트 싱크 (51) 는, 전술한 절연 회로 기판 (10) 을 냉각시키기 위한 것으로, 본 실시형태에 있어서는, 열 전도성이 양호한 재질로 구성된 방열판으로 구성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 히트 싱크 (51) 는, 열 전도성이 우수한 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있다. 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, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속으로 이루어지는 활성 금속막 (24) (본 실시형태에서는 Ti 막) 및 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 계면에 있어서는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 측에 형성된 활성 금속 질화물층 (31) (본 실시형태에서는 질화티탄층) 과, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층 (32) 이 적층된 구조를 구비하고 있다.
Mg 고용층 (32) 에는, 상기 서술한 활성 금속이 함유되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, Mg 고용층 (32) 에는, Cu 와 활성 금속 (Ti) 을 함유하는 금속간 화합물상 (33) 이 분산되어 있다. 본 실시형태에서는, 활성 금속으로서 Ti 를 사용하고 있고, Cu 와 Ti 를 함유하는 금속간 화합물상 (33) 을 구성하는 금속간 화합물로는, 예를 들어 Cu4Ti, Cu3Ti2, Cu4Ti3, CuTi, CuTi2, CuTi3 등을 들 수 있다.
이 Mg 고용층 (32) 에 있어서의 Mg 의 함유량은, 0.01 원자％ 이상 0.5 원자％ 이하의 범위 내로 되어 있다. Mg 고용층 (32) 의 두께는, 0.1 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다. Mg 고용층 (32) 에 있어서의 Mg 의 함유량은, 0.01 원자％ 이상 0.3 원자％ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하지만, 이것에 한정되는 경우는 없다.
본 실시형태에서는, 활성 금속 질화물층 (31) (질화티탄층) 의 내부에, Cu 입자 (35) 가 분산되어 있다.
활성 금속 질화물층 (31) (질화티탄층) 내에 분산되는 Cu 입자 (35) 의 입경은, 10 nm 이상 100 nm 이하의 범위 내로 되어 있다. 또, 활성 금속 질화물층 (31) (질화티탄층) 중 세라믹스 기판 (11) 과의 계면으로부터 활성 금속 질화물층 (31) (질화티탄층) 의 두께의 20 ％ 까지의 계면 근방 영역에 있어서의 Cu 농도가 0.3 원자％ 이상 15 원자％ 이하의 범위 내로 되어 있다.
활성 금속 질화물층 (31) (질화티탄층) 의 두께는, 0.03 ㎛ 이상 1.2 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다. 활성 금속 질화물층 (31) (질화티탄층) 중 세라믹스 기판 (11) 과의 계면으로부터 활성 금속 질화물층 (31) (질화티탄층) 의 두께의 20 ％ 까지의 계면 근방 영역에 있어서의 Cu 농도는, 0.3 원자％ 이상 12 원자％ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하지만, 이것에 한정되는 경우는 없다.
본 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 사이에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면으로부터 회로층 (12) 측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu2Mg 상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있다. 세라믹스 기판 (11) 의 접합면으로부터 회로층 (12) 측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu2Mg 상의 면적률은, 0.01 ％ 이상 10 ％ 이하로 되어 있는 것이 바람직하지만, 이것에 한정되는 경우는 없다.
본 실시형태에서는, 상기 서술한 Cu2Mg 상은, 전자선 마이크로애널라이저로 Mg 의 원소 MAP 을 취득하고, Mg 의 존재가 확인된 영역에 있어서 Mg 농도가 30 원자％ 이상 40 원자％ 이하인 영역으로 하였다.
상기 서술한 본 실시형태인 절연 회로 기판 (10) 의 제조 방법에 대해, 도 3 및 도 4 를 참조하여 설명한다.
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 Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속의 단체 (본 실시형태에서는 Ti 단체) 및 Mg 단체를 배치한다 (활성 금속 및 Mg 배치 공정 S01). 본 실시형태에서는, 활성 금속 (Ti) 및 Mg 를 증착함으로써, 활성 금속막 (24) (Ti 막) 및 Mg 막 (25) 이 형성되어 있고, Mg 막 (25) 은 구리판 (22) 과는 비접촉 상태로 적층되어 있다.
이 활성 금속 및 Mg 배치 공정 S01 에서는, 활성 금속량을 0.4 μmol/㎠ 이상 47.0 μmol/㎠ 이하의 범위 내 (본 실시형태에서는, Ti 를 0.02 mg/㎠ 이상 2.25 mg/㎠ 이하의 범위 내), Mg 량을 7.0 μmol/㎠ 이상 143.2 μmol/㎠ 이하의 범위 내 (0.17 mg/㎠ 이상 3.48 mg/㎠ 이하의 범위 내) 로 하고 있다.
활성 금속량의 하한은 2.8 μmol/㎠ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 활성 금속량의 상한은 18.8 μmol/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, Mg 량의 하한은 8.8 μmol/㎠ 이상으로 하는 것이 바람직하고, Mg 량의 상한은 37.0 μmol/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (23) 을, 활성 금속막 (24) (Ti 막) 및 Mg 막 (25) 을 개재하여 적층한다 (적층 공정 S02).
적층된 구리판 (22), 세라믹스 기판 (11), 구리판 (23) 을, 적층 방향으로 가압함과 함께, 진공로 내에 장입하여 가열하여, 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (23) 을 접합한다 (접합 공정 S03).
접합 공정 S03 에 있어서의 가압 하중은, 0.049 MPa 이상 3.4 MPa 이하의 범위 내로 되어 있다. 접합 공정 S03 에 있어서의 가압 하중은, 0.294 MPa 이상 1.47 MPa 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하지만, 이것에 한정되는 경우는 없다.
접합 공정 S03 에 있어서의 가열 온도는, Cu 와 Mg 가 비접촉 상태로 적층되어 있는 점에서, Mg 의 융점 이상인 670 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있다. 가열 온도의 하한은 700 ℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
접합 공정 S03 에 있어서의 진공도는, 1 × 10-6 Pa 이상 1 × 10-2 Pa 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
가열 온도에서의 유지 시간은, 5 min 이상 360 min 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 상기 서술한 Cu2Mg 상의 면적률을 낮게 하기 위해서는, 가열 온도에서의 유지 시간의 하한을 60 min 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, 가열 온도에서의 유지 시간의 상한은 240 min 이하로 하는 것이 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.
절연 회로 기판 (10) 의 금속층 (13) 의 타방의 면측에 히트 싱크 (51) 를 접합한다 (히트 싱크 접합 공정 S04).
절연 회로 기판 (10) 과 히트 싱크 (51) 를, 솔더재를 개재하여 적층하여 가열로에 장입하고, 제 2 솔더층 (8) 을 개재하여 절연 회로 기판 (10) 과 히트 싱크 (51) 를 솔더 접합한다.
다음으로, 절연 회로 기판 (10) 의 회로층 (12) 의 일방의 면에, 반도체 소자 (3) 를 솔더링에 의해 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S05).
이상의 공정에 의해, 도 1 에 나타내는 파워 모듈 (1) 이 만들어진다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태의 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 에 의하면, 무산소동으로 이루어지는 구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 과 질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 기판 (11) 이, 활성 금속막 (24) (Ti 막) 및 Mg 막 (25) 을 개재하여 접합되어 있고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (구리판 (22)) 및 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) (구리판 (23)) 의 접합 계면에는, 세라믹스 기판 (11) 측에 형성된 활성 금속 질화물층 (31) (질화티탄층) 과, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층 (32) 이 적층되어 있다.
활성 금속 질화물층 (31) (질화티탄층) 은, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22, 23) 사이에 배치 형성된 활성 금속 (Ti) 과 세라믹스 기판 (11) 의 질소가 반응함으로써 형성된다. 그 때문에, 본 실시형태에서는, 접합 계면에 있어서 세라믹스 기판 (11) 이 충분히 반응하고 있다. 또, 활성 금속 질화물층 (31) (질화티탄층) 에 적층되도록, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층 (32) 이 형성되어 있고, 이 Mg 고용층 (32) 에, 상기 서술한 활성 금속이 함유되어 있다. 본 실시형태에 있어서는 Mg 고용층 (32) 에 Cu 와 활성 금속 (Ti) 을 함유하는 금속간 화합물상 (33) 이 분산되어 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22, 23) 사이에 배치 형성된 Mg 가 구리판 (22, 23) 측으로 충분히 확산되어 있다. 그 때문에, 본 실시형태에서는, Cu 와 활성 금속 (Ti) 이 충분히 반응하고 있다.
따라서, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22, 23) 의 접합 계면에 있어서 충분히 계면 반응이 진행되어 있어, 회로층 (12) (구리판 (22)) 과 세라믹스 기판 (11), 금속층 (13) (구리판 (23)) 과 세라믹스 기판 (11) 이 확실하게 접합된 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻을 수 있다. 또, 접합 계면에 Ag 가 존재하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성이 우수한 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻을 수 있다.
특히, 본 실시형태에 있어서는, 활성 금속 질화물층 (31) (질화티탄층) 의 내부에, Cu 입자 (35) 가 분산되어 있으므로, 구리판 (22, 23) 의 Cu 가 세라믹스 기판 (11) 의 접합면에서 충분히 반응하고 있다. 그 때문에, 구리판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 이 강고하게 접합된 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻는 것이 가능해진다.
본 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (구리판 (22)) 사이에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면으로부터 회로층 (12) (구리판 (22)) 측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu2Mg 상의 면적률이 15 ％ 이하로 제한되어 있으므로, 예를 들어 초음파 접합 등을 실시한 경우라도, 접합 계면에 있어서의 균열 등의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
본 실시형태의 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 의 제조 방법에 의하면, 구리판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 사이에 활성 금속 (Ti) 의 단체 (활성 금속막 (24)) 및 Mg 단체 (Mg 막 (25)) 를 배치하는 활성 금속 및 Mg 배치 공정 S01 과, 이들 활성 금속막 (24) 및 Mg 막 (25) 을 개재하여 구리판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 을 적층하는 적층 공정 S02 와, 적층된 구리판 (22), 세라믹스 기판 (11), 구리판 (23) 을, 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에 있어서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정 S03 을 구비하고 있으므로, 접합 계면에 가스나 유기물의 잔류물 등이 잔존하는 경우가 없다. 또, 활성 금속 (Ti) 의 단체 및 Mg 단체를 배치하고 있으므로, 조성의 편차가 없어, 균일하게 액상이 생성된다.
활성 금속 및 Mg 배치 공정 S01 에서는, 활성 금속량을 0.4 μmol/㎠ 이상 47.0 μmol/㎠ 이하의 범위 내 (본 실시형태에서는, Ti 를 0.02 mg/㎠ 이상 2.25 mg/㎠ 이하의 범위 내), Mg 량을 7.0 μmol/㎠ 이상 143.2 μmol/㎠ 이하의 범위 내 (0.17 mg/㎠ 이상 3.48 mg/㎠ 이하의 범위 내) 로 하고 있으므로, 계면 반응에 필요한 액상을 충분히 얻을 수 있음과 함께, 세라믹스 기판 (11) 의 필요 이상의 반응을 억제할 수 있다.
따라서, 구리판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 이 확실하게 접합된 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻을 수 있다. 또, 접합에 Ag 를 사용하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성이 우수한 절연 회로 기판 (10) 을 얻을 수 있다.
활성 금속량이 0.4 μmol/㎠ 미만 (Ti 량이 0.02 mg/㎠ 미만), 및, Mg 량이 7.0 μmol/㎠ 미만 (0.17 mg/㎠ 미만) 인 경우에는, 계면 반응이 불충분해져, 접합률이 저하될 우려가 있었다. 또, 활성 금속량이 47.0 μmol/㎠ 를 초과하는 (Ti 량이 2.25 mg/㎠ 를 초과하는) 경우에는, 활성 금속이 많아 비교적 단단한 금속간 화합물상 (33) 이 과잉으로 생성되어 버리고, Mg 고용층 (32) 이 지나치게 단단해져, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 생길 우려가 있었다. 또, Mg 량이 143.2 μmol/㎠ 를 초과하는 (3.48 mg/㎠ 를 초과하는) 경우에는, 세라믹스 기판 (11) 의 분해 반응이 과잉이 되어, Al 이 과잉으로 생성되고, 이것들과 Cu 나 활성 금속 (Ti) 이나 Mg 의 금속간 화합물이 다량으로 생성되어, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 생길 우려가 있었다.
이상으로부터, 본 실시형태에서는, 활성 금속량을 0.4 μmol/㎠ 이상 47.0 μmol/㎠ 이하의 범위 내 (Ti 량을 0.02 mg/㎠ 이상 2.25 mg/㎠ 이하의 범위 내), Mg 량을 7.0 μmol/㎠ 이상 143.2 μmol/㎠ 이하의 범위 내 (0.17 mg/㎠ 이상 3.48 mg/㎠ 이하의 범위 내) 로 하고 있다.
본 실시형태에 있어서는, 접합 공정 S03 에 있어서의 가압 하중이 0.049 MPa 이상으로 되어 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22, 23) 과 활성 금속막 (24) (Ti 막) 및 Mg 막 (25) 을 밀착시킬 수 있어, 가열시에 이것들의 계면 반응을 촉진시킬 수 있다. 또, 접합 공정 S03 에 있어서의 가압 하중이 3.4 MPa 이하로 되어 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 의 균열 등을 억제할 수 있다.
본 실시형태에서는, Cu 와 Mg 가 비접촉 상태로 적층되어 있고, 접합 공정 S03 에 있어서의 가열 온도가, Mg 의 융점 이상인 670 ℃ 이상으로 되어 있으므로, 접합 계면에 있어서 충분히 액상을 생성시킬 수 있다. 한편, 접합 공정 S03 에 있어서의 가열 온도가 850 ℃ 이하로 되어 있으므로, Cu 와 활성 금속 (Ti) 의 공정 반응의 발생을 억제할 수 있어, 액상이 과잉으로 생성되는 것을 억제할 수 있다. 또, 세라믹스 기판 (11) 에 대한 열 부하가 작아져, 세라믹스 기판 (11) 의 열화를 억제할 수 있다.
(제 2 실시형태)
본 발명의 제 2 실시형태에 대해, 도 5 내지 도 8 을 참조하여 설명한다.
본 실시형태에 관련된 구리/세라믹스 접합체는, 세라믹스 부재인 세라믹스 기판 (111) 과, 구리 부재인 구리판 (122) (회로층 (112)) 이 접합됨으로써 구성된 절연 회로 기판 (110) 으로 되어 있다.
도 5 에, 본 발명의 제 2 실시형태인 절연 회로 기판 (110) 및 이 절연 회로 기판 (110) 을 사용한 파워 모듈 (101) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (101) 은, 절연 회로 기판 (110) 과, 이 절연 회로 기판 (110) 의 일방측 (도 5 에 있어서 상측) 의 면에 솔더층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 절연 회로 기판 (110) 의 타방측 (도 5 에 있어서 하측) 에 배치된 히트 싱크 (151) 를 구비하고 있다.
솔더층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 솔더재로 되어 있다.
절연 회로 기판 (110) 은, 세라믹스 기판 (111) 과, 이 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면 (도 5 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (112) 과, 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면 (도 5 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (113) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (111) 은, 회로층 (112) 과 금속층 (113) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 본 실시형태에서는, 절연성이 높은 질화규소로 구성되어 있다. 세라믹스 기판 (111) 의 두께는 0.2 ∼ 1.5 mm 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.32 mm 로 설정되어 있다.
회로층 (112) 은, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (122) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (112) 을 구성하는 구리판 (122) 으로서, 무산소동의 압연판이 사용되고 있다. 이 회로층 (112) 에는, 회로 패턴이 형성되어 있고, 그 일방의 면 (도 5 에 있어서 상면) 이, 반도체 소자 (3) 가 탑재되는 탑재면이다. 회로층 (112) 의 두께는 0.1 mm 이상 2.0 mm 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 mm 로 설정되어 있다.
금속층 (113) 은, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면에 알루미늄판 (123) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (113) 은, 순도가 99.99 mass％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 알루미늄판 (123) 이 세라믹스 기판 (111) 에 접합됨으로써 형성되어 있다. 이 알루미늄판 (123) 은, 0.2 ％ 내력이 30 N/㎟ 이하로 되어 있다. 금속층 (113) (알루미늄판 (123)) 의 두께는 0.5 mm 이상 6 mm 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 2.0 mm 로 설정되어 있다. 금속층 (113) 은, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 알루미늄판 (123) 이 Al-Si 계 브레이징재 (128) 를 사용하여 세라믹스 기판 (111) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
히트 싱크 (151) 는, 전술한 절연 회로 기판 (110) 을 냉각시키기 위한 것으로, 본 실시형태에 있어서는, 열 전도성이 양호한 재질로 구성된 방열판으로 구성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 히트 싱크 (151) 는, A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 이 히트 싱크 (151) 는, 절연 회로 기판 (110) 의 금속층 (113) 에, 예를 들어 Al-Si 계 브레이징재를 사용하여 접합되어 있다.
세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (구리판 (122)) 은, 도 8 에 나타내는 바와 같이, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속으로 이루어지는 활성 금속막 (124) (본 실시형태에서는 Ti 막) 및 Mg 막 (125) 을 개재하여 접합되어 있다.
세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (구리판 (122)) 의 접합 계면에 있어서는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 측에 형성된 활성 금속 질화물층 (131) (본 실시형태에서는 질화티탄층) 과, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층 (132) 이 적층되어 있다.
Mg 고용층 (132) 에는, 상기 서술한 활성 금속이 함유되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, Mg 고용층 (132) 에는, Cu 와 활성 금속 (Ti) 을 함유하는 금속간 화합물상 (133) 이 분산되어 있다. 본 실시형태에서는, 활성 금속으로서 Ti 를 사용하고 있고, Cu 와 Ti 를 함유하는 금속간 화합물상 (133) 을 구성하는 금속간 화합물로는, 예를 들어 Cu4Ti, Cu3Ti2, Cu4Ti3, CuTi, CuTi2, CuTi3 등을 들 수 있다.
이 Mg 고용층 (132) 에 있어서의 Mg 의 함유량은, 0.01 원자％ 이상 0.5 원자％ 이하의 범위 내로 되어 있다. Mg 고용층 (132) 의 두께는, 0.1 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다.
본 실시형태에서는, 활성 금속 질화물층 (131) (질화티탄층) 의 내부에, Cu 입자 (135) 가 분산되어 있다.
활성 금속 질화물층 (131) (질화티탄층) 내에 분산되는 Cu 입자 (135) 의 입경이 10 nm 이상 100 nm 이하의 범위 내로 되어 있다. 활성 금속 질화물층 (131) (질화티탄층) 중 세라믹스 기판 (111) 과의 계면으로부터 활성 금속 질화물층 (131) (질화티탄층) 의 두께의 20 ％ 까지의 계면 근방 영역에 있어서의 Cu 농도가 0.3 원자％ 이상 15 원자％ 이하의 범위 내로 되어 있다.
활성 금속 질화물층 (131) (질화티탄층) 의 두께는, 0.03 ㎛ 이상 1.2 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) 사이에 있어서, 세라믹스 기판 (111) 의 접합면으로부터 회로층 (112) 측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu2Mg 상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있다.
상기 서술한 본 실시형태인 절연 회로 기판 (110) 의 제조 방법에 대해, 도 7 및 도 8 을 참조하여 설명한다.
도 8 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (112) 이 되는 구리판 (122) 과 세라믹스 기판 (111) 사이에, 각각 Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속의 단체 (본 실시형태에서는 Ti 단체) 및 Mg 단체를 배치한다 (활성 금속 및 Mg 배치 공정 S101). 본 실시형태에서는, 활성 금속 (Ti) 과 Mg 를 증착시킴으로써, 활성 금속막 (124) (Ti 막) 및 Mg 막 (125) 이 형성되어 있고, 구리판 (122) 에 접촉하도록 Mg 막 (125) 이 형성되어 있다.
이 활성 금속 및 Mg 배치 공정 S101 에서는, 활성 금속량을 0.4 μmol/㎠ 이상 47.0 μmol/㎠ 이하의 범위 내 (본 실시형태에서는, Ti 를 0.02 mg/㎠ 이상 2.25 mg/㎠ 이하의 범위 내), Mg 량을 7.0 μmol/㎠ 이상 143.2 μmol/㎠ 이하의 범위 내 (0.17 mg/㎠ 이상 3.48 mg/㎠ 이하의 범위 내) 로 하고 있다.
활성 금속량이 0.4 μmol/㎠ 미만 (Ti 량이 0.02 mg/㎠ 미만), 및, Mg 량이 7.0 μmol/㎠ 미만 (0.17 mg/㎠ 미만) 인 경우에는, 계면 반응이 불충분해져, 접합률이 저하될 우려가 있다. 또, 활성 금속량이 47.0 μmol/㎠ 를 초과하는 (Ti 량이 2.25 mg/㎠ 를 초과하는) 경우에는, 활성 금속이 많아 비교적 단단한 금속간 화합물상 (133) 이 과잉으로 생성되어 버리고, Mg 고용층 (132) 이 지나치게 단단해져, 세라믹스 기판 (111) 에 균열이 생길 우려가 있다. 또, Mg 량이 143.2 μmol/㎠ 를 초과하는 (3.48 mg/㎠ 를 초과하는) 경우에는, 세라믹스 기판 (111) 의 분해 반응이 과잉이 되어, Al 이 과잉으로 생성되고, 이것들과 Cu 나 활성 금속 (Ti) 이나 Mg 의 금속간 화합물이 다량으로 생성되어, 세라믹스 기판 (111) 에 균열이 생길 우려가 있다.
활성 금속량의 하한은 2.8 μmol/㎠ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 활성 금속량의 상한은 18.8 μmol/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, Mg 량의 하한은 8.8 μmol/㎠ 이상으로 하는 것이 바람직하고, Mg 량의 상한은 37.0 μmol/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 구리판 (122) 과 세라믹스 기판 (111) 을, 활성 금속막 (124) (Ti 막) 및 Mg 막 (125) 을 개재하여 적층한다 (적층 공정 S102).
본 실시형태에서는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면측에, Al-Si 계 브레이징재 (128) 를 개재하여, 금속층 (113) 이 되는 알루미늄판 (123) 을 적층한다.
적층된 구리판 (122), 세라믹스 기판 (111), 알루미늄판 (123) 을, 적층 방향으로 가압함과 함께, 진공로 내에 장입하여 가열하여, 구리판 (122) 과 세라믹스 기판 (111) 과 알루미늄판 (123) 을 접합한다 (접합 공정 S103).
접합 공정 S103 에 있어서의 가압 하중은, 0.049 MPa 이상 3.4 MPa 이하의 범위 내로 되어 있다. 접합 공정 S103 에 있어서의 가압 하중은, 0.294 MPa 이상 1.47 MPa 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하지만, 이것에 한정되는 경우는 없다.
접합 공정 S103 에 있어서의 가열 온도는, Cu 와 Mg 가 접촉 상태로 적층되어 있는 점에서, Mg 와 Cu 의 공정 온도 이상인 500 ℃ 이상, 또한, Cu 와 활성 금속 (Ti) 의 공정 온도 이하인 850 ℃ 이하로 한다. 가열 온도의 하한은 700 ℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
본 실시형태에서는, 알루미늄판 (123) 을 Al-Si 계 브레이징재 (128) 를 사용하여 접합하기 때문에, 가열 온도는 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로 하고 있다.
접합 공정 S103 에 있어서의 진공도는, 1 × 10-6 Pa 이상 1 × 10-2 Pa 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
가열 온도에서의 유지 시간은, 5 min 이상 360 min 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 상기 서술한 Cu2Mg 상의 면적률을 낮게 하기 위해서는, 가열 온도에서의 유지 시간의 하한을 60 min 이상으로 하는 것이 바람직하다. 가열 온도에서의 유지 시간의 상한은 240 min 이하로 하는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 활성 금속 및 Mg 배치 공정 S101 과, 적층 공정 S102 와, 접합 공정 S103 에 의해, 본 실시형태인 절연 회로 기판 (110) 이 제조된다.
절연 회로 기판 (110) 의 금속층 (113) 의 타방의 면측에, 히트 싱크 (151) 를 접합한다 (히트 싱크 접합 공정 S104).
절연 회로 기판 (110) 과 히트 싱크 (151) 를, 브레이징재를 개재하여 적층하고, 적층 방향으로 가압함과 함께 진공로 내에 장입하여 솔더링을 실시한다. 이로써, 절연 회로 기판 (110) 의 금속층 (113) 과 히트 싱크 (151) 를 접합한다. 이 때, 브레이징재로는, 예를 들어, 두께 20 ∼ 110 ㎛ 의 Al-Si 계 브레이징재 박 (箔) 을 사용할 수 있고, 브레이징 온도는, 접합 공정 S103 에 있어서의 가열 온도보다 저온으로 설정하는 것이 바람직하다.
다음으로, 절연 회로 기판 (110) 의 회로층 (112) 의 일방의 면에, 반도체 소자 (3) 를 솔더링에 의해 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S105).
이상의 공정에 의해, 도 5 에 나타내는 파워 모듈 (101) 이 만들어진다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태의 절연 회로 기판 (110) (구리/세라믹스 접합체) 에 의하면, 구리판 (122) (회로층 (112)) 과 질화규소로 이루어지는 세라믹스 기판 (111) 이, 활성 금속막 (124) (Ti 막) 및 Mg 막 (125) 을 개재하여 접합되어 있고, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (구리판 (122)) 의 접합 계면에는, 세라믹스 기판 (111) 측에 형성된 활성 금속 질화물층 (131) (질화티탄층) 과, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층 (132) 이 적층되고, 이 Mg 고용층 (132) 내에, 활성 금속이 존재하고 있다. 본 실시형태에서는, Cu 와 활성 금속 (Ti) 을 함유하는 금속간 화합물상 (133) 이 분산되어 있으므로, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 회로층 (112) (구리판 (122)) 과 세라믹스 기판 (111) 이 확실하게 접합된 절연 회로 기판 (110) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻을 수 있다. 또, 접합 계면에 Ag 가 존재하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성이 우수한 절연 회로 기판 (110) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻을 수 있다.
본 실시형태에 있어서는, 활성 금속 질화물층 (131) (질화티탄층) 의 내부에, Cu 입자 (135) 가 분산되어 있으므로, 구리판 (122) 의 Cu 가 세라믹스 기판 (111) 의 접합면에서 충분히 반응하고 있게 되어, 회로층 (112) (구리판 (122)) 과 세라믹스 기판 (111) 이 강고하게 접합된 절연 회로 기판 (110) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻는 것이 가능해진다.
본 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (구리판 (122)) 사이에 있어서, 세라믹스 기판 (111) 의 접합면으로부터 회로층 (112) (구리판 (122)) 측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu2Mg 상의 면적률이 15 ％ 이하로 제한되어 있으므로, 예를 들어 초음파 접합 등을 실시한 경우라도, 접합 계면에 있어서의 균열 등의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
본 실시형태의 절연 회로 기판 (110) (구리/세라믹스 접합체) 의 제조 방법에 의하면, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 회로층 (112) (구리판 (122)) 과 세라믹스 기판 (111) 의 접합 계면에 있어서, 액상을 적당히 출현시켜 충분히 계면 반응시킬 수 있어, 구리판 (122) 과 세라믹스 기판 (111) 이 확실하게 접합된 절연 회로 기판 (110) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻을 수 있다. 또, 접합에 Ag 를 사용하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성이 우수한 절연 회로 기판 (110) 을 얻을 수 있다.
본 실시형태에서는, Cu 와 Mg 가 접촉 상태로 적층되어 있고, 접합 공정 S103 에 있어서의 가열 온도가, Cu 와 Mg 의 공정 온도 이상인 500 ℃ 이상으로 되어 있으므로, 접합 계면에 있어서 충분히 액상을 생성시킬 수 있다.
본 실시형태에서는, 적층 공정 S102 에 있어서, 세라믹스 기판 (111) 의 타면측에 알루미늄판 (123) 을 Al-Si 계 브레이징재 (128) 를 개재하여 적층하고, 구리판 (122) 과 세라믹스 기판 (111), 세라믹스 기판 (111) 과 알루미늄판 (123) 을 동시에 접합하고 있으므로, 구리로 이루어지는 회로층 (112) 과 알루미늄으로 이루어지는 금속층 (113) 을 구비한 절연 회로 기판 (110) 을 효율적으로 제조할 수 있다. 또, 절연 회로 기판 (110) 에 있어서의 휨의 발생을 억제할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 경우는 없고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
예를 들어, 회로층 또는 금속층을 구성하는 구리판을, 무산소동의 압연판으로 하여 설명하였지만, 이것에 한정되는 경우는 없고, 다른 구리 또는 구리 합금으로 구성된 것이어도 된다.
제 2 실시형태에 있어서, 금속층을 구성하는 알루미늄판을, 순도 99.99 mass％ 의 순알루미늄의 압연판으로 하여 설명하였지만, 이것에 한정되는 경우는 없고, 순도 99 mass％ 의 알루미늄 (2N 알루미늄) 등, 다른 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된 것이어도 된다.
히트 싱크로서 방열판을 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되는 경우는 없고, 히트 싱크의 구조에 특별히 한정은 없다. 예를 들어, 냉매가 유통되는 유로를 갖는 것이나 냉각 핀을 구비한 것이어도 된다. 히트 싱크로서 알루미늄이나 알루미늄 합금을 함유하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 를 사용할 수도 있다.
히트 싱크의 천판부나 방열판과 금속층 사이에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 알루미늄을 함유하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층을 형성해도 된다.
본 실시형태에서는, 활성 금속 및 Mg 배치 공정에 있어서, 활성 금속막 (Ti 막) 및 Mg 막을 성막하는 것으로 하여 설명하였지만, 이것에 한정되는 경우는 없고, 활성 금속과 Mg 를 공증착해도 된다. 이 경우에 있어서도, 성막된 활성 금속막 및 Mg 막은, 합금화되어 있지 않고, 활성 금속의 단체 및 Mg 단체가 배치된다. 공증착에 의해 활성 금속 및 Mg 막을 성막한 경우에는, Mg 와 Cu 가 접촉 상태가 되기 때문에, 접합 공정에 있어서의 가열 온도의 하한을 500 ℃ 이상으로 할 수 있다.
본 실시형태에서는, 활성 금속으로서 Ti 를 사용한 것으로 하여 설명하였지만, 이것에 한정되는 경우는 없고, 활성 금속으로서 Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 사용해도 된다.
활성 금속으로서 Zr 을 사용한 경우에는, Mg 고용층에 있어서, Zr 은, Cu 와의 금속간 화합물상으로서 존재한다. 이 금속간 화합물상을 구성하는 금속간 화합물로는, 예를 들어 Cu5Zr, Cu51Zr14, Cu8Zr3, Cu10Zr7, CuZr, Cu5Zr8, CuZr2 등을 들 수 있다.
활성 금속으로서 Hf 를 사용한 경우에는, Mg 고용층에 있어서, Hf 는, Cu 와의 금속간 화합물상으로서 존재한다. 이 금속간 화합물상을 구성하는 금속간 화합물로는, 예를 들어 Cu51Hf14, Cu8Hf3, Cu10Hf7, CuHf2 등을 들 수 있다.
활성 금속으로서 Ti 및 Zr 을 사용한 경우에는, Mg 고용층에 있어서, Ti 및 Zr 은, Cu 와 활성 금속을 함유하는 금속간 화합물상으로서 존재한다. 이 금속간 화합물상을 구성하는 금속간 화합물로는, Cu1.5Zr0.75Ti0.75 등을 들 수 있다.
활성 금속으로서 Nb 를 사용한 경우에는, Nb 는 Mg 고용층에 고용되어 존재한다.
활성 금속 및 Mg 배치 공정에 있어서는, 접합 계면에 있어서의 활성 금속량을 0.4 μmol/㎠ 이상 47.0 μmol/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 7.0 μmol/㎠ 이상 143.2 μmol/㎠ 이하의 범위 내로 되어 있으면 되고, 예를 들어 Mg 막/활성 금속막/Mg 막과 같이 활성 금속막과 Mg 막을 다층으로 적층해도 된다. 혹은, 활성 금속막과 Mg 막 사이에 Cu 막을 성막해도 된다.
활성 금속의 단체 및 Mg 단체는, 박재를 배치해도 되고, 스퍼터링에 의해 성막해도 된다.
본 실시형태에서는, 절연 회로 기판의 회로층에 파워 반도체 소자를 탑재하여 파워 모듈을 구성하는 것으로 하여 설명하였지만, 이것에 한정되는 경우는 없다. 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 발명의 유효성을 확인하기 위해 실시한 확인 실험에 대해 설명한다.
＜실시예 1＞
표 1 에 나타내는 구조의 구리/세라믹스 접합체를 형성하였다. 상세히 서술하면, 가로 세로 40 mm 의 세라믹스 기판의 양면에, 표 1 에 나타내는 바와 같이, 활성 금속으로서 Ti 단체 및 Mg 단체를 성막한 구리판을 적층하고, 표 1 에 나타내는 접합 조건에서 접합하여, 구리/세라믹스 접합체를 형성하였다.
세라믹스 기판의 두께는 질화알루미늄의 경우에는 두께 0.635 mm, 질화규소의 경우에는 두께 0.32 mm 를 사용하였다. 또, 접합시의 진공로의 진공도는 5 × 10-3 Pa 로 하였다.
이와 같이 하여 얻어진 구리/세라믹스 접합체에 대해, 접합 계면을 관찰하여 활성 금속 질화물층 (질화티탄층), Mg 고용층, 금속간 화합물상, 활성 금속 질화물층 (질화티탄층) 중의 Cu 입자의 유무 및 Cu 농도를 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 kV 의 조건에서 접합 계면을 포함하는 영역 (400 ㎛ × 600 ㎛) 을 관찰하고, 세라믹스 기판 표면 (활성 금속 질화물층 표면) 으로부터 구리판측을 향해 10 ㎛ 간격의 10 점에서 정량 분석을 실시하여, Mg 농도가 0.01 원자％ 이상인 영역을 Mg 고용층으로 하였다.
(Mg 고용층에 있어서의 활성 금속의 유무 (금속간 화합물상의 유무)
구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을, 전자선 마이크로애널라이저 (니혼 전자 주식회사 제조 JXA-8539F) 를 사용하여, 배율 2000 배, 가속 전압 15 kV 의 조건에서 접합 계면을 포함하는 영역 (400 ㎛ × 600 ㎛) 의 활성 금속 (Ti) 의 원소 MAP 을 취득하고, 활성 금속 (Ti) 의 유무를 확인하였다. 또, 활성 금속 (Ti) 의 존재가 확인된 영역 내에서의 정량 분석의 5 점 평균으로, Cu 농도가 5 원자％ 이상, 또한, 활성 금속 농도 (Ti 농도) 가 16 원자% 이상 90 원자％ 이하를 만족한 영역을 금속간 화합물상으로 하였다.
(활성 금속 질화물층)
구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을, 주사형 투과 전자 현미경 (FEI 사 제조 Titan ChemiSTEM (EDS 검출기 부착)) 을 사용하여, 배율 115000 배, 가속 전압 200 kV 의 조건에서 관찰을 실시하고, 에너지 분산형 X 선 분석법 (써모 사이언티픽사 제조 NSS7) 을 이용하여 매핑을 실시하고, 활성 금속 (Ti) 과 N 이 겹치는 영역에 있어서, 1 nm 정도로 좁힌 전자빔을 조사하는 것 (NBD (나노 빔 회절) 법) 에 의해 전자 회절 도형을 얻어, 활성 금속 질화물층 (질화티탄층) 의 유무를 확인하였다.
활성 금속 질화물층 (질화티탄층) 으로 확인된 영역에 있어서의 Cu 입자의 유무를 확인하고, 이 영역에 있어서의 정량 분석의 5 점 평균으로부터 얻어진 Cu 농도를, 활성 금속 질화물층 (질화티탄층) 내에 분산된 Cu 의 평균 농도로 하였다.
(초기 접합률)
구리판과 세라믹스 기판의 접합률은, 초음파 탐상 장치 (주식회사 히타치 파워 솔루션즈 제조 FineSAT200) 를 사용하여 이하의 식을 이용하여 구하였다. 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적, 즉 구리판의 접합면의 면적으로 하였다. 초음파 탐상 이미지에 있어서 박리는 접합부 내의 백색부로 나타나는 점에서, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 하였다.
(접합률) ＝ {(초기 접합 면적) － (박리 면적)}/(초기 접합 면적) × 100
(세라믹스 기판의 균열)
냉열 충격 시험기 (에스펙 주식회사 제조 TSA-72ES) 를 사용하고, 기상에서, 1 사이클이 -50 ℃ 에서 10 분과 150 ℃ 에서 10 분인 사이클을 300 사이클 실시하였다.
상기 서술한 냉열 사이클을 부하한 후의 세라믹스 기판의 균열의 유무를 평가하였다.
(마이그레이션)
회로층의 회로 패턴 간 거리 0.8 mm, 온도 60 ℃, 습도 95 ％RH, 전압 DC 50 V 의 조건에서, 500 시간 방치 후에, 회로 패턴 간의 전기 저항을 측정하였다. 저항값이 1 × 106 Ω 이하가 된 경우를 단락된 것으로 판단하고, 「B」로 하였다. 저항값이 1 × 106 Ω 이하가 되지 않았던 경우를 「A」로 하였다.
평가 결과를 표 2 에 나타낸다. 또, 본 발명예 5 의 관찰 결과를 도 9a, 도 9b 및 도 9c 에 나타낸다.
Figure 112019082548214-pct00001
Figure 112019082548214-pct00002
활성 금속 및 Mg 배치 공정에 있어서, 활성 금속량 (Ti 량) 이 0.1 μmol/㎠ (0.005 mg/㎠) 로 본 발명의 범위보다 적은 비교예 1 에 있어서는, 초기 접합률이 낮아졌다. Mg 고용층에, 금속간 화합물상으로서 활성 금속 (Ti) 이 존재하고 있지 않아, 계면 반응이 불충분하였기 때문으로 추측된다.
활성 금속 및 Mg 배치 공정에 있어서, 활성 금속량 (Ti 량) 이 66.9 μmol/㎠ (3.20 mg/㎠) 로 본 발명의 범위보다 많은 비교예 2 에 있어서는, 세라믹스 기판의 균열이 확인되었다. 비교적 단단한 금속간 화합물상이 다량으로 형성되었기 때문으로 추측된다.
활성 금속 및 Mg 배치 공정에 있어서, Mg 량이 2.1 μmol/㎠ (0.05 mg/㎠) 로 본 발명의 범위보다 적은 비교예 3 에 있어서는, 초기 접합률이 낮아졌다. Mg 고용층이 관찰되고 있지 않아, 계면 반응이 불충분하였기 때문으로 추측된다.
활성 금속 및 Mg 배치 공정에 있어서, Mg 량이 220.1 μmol/㎠ (5.35 mg/㎠) 로 본 발명의 범위보다 많은 비교예 4 에 있어서는, 세라믹스 기판의 균열이 확인되었다. 세라믹스 기판의 분해 반응이 과잉이 되어, Al 이 과잉으로 생성되고, 이것들과 Cu 나 활성 금속 (Ti) 이나 Mg 의 금속간 화합물이 다량으로 생성되었기 때문으로 추측된다.
Ag-Cu-Ti 브레이징재를 사용하여 세라믹스 기판과 구리판을 접합한 종래예에 있어서는, 마이그레이션이 「B」로 판단되었다. 접합 계면에 Ag 가 존재하기 때문으로 추측된다.
이에 반하여, 본 발명예 1 ∼ 12 에 있어서는, 초기 접합률도 높고, 세라믹스 기판의 균열도 확인되지 않았다. 또, 마이그레이션도 양호하였다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c 에 나타내는 바와 같이, 접합 계면을 관찰한 결과, 활성 금속 질화물층 (31) (질화티탄층), Mg 고용층 (32) 이 관찰되고, 이 Mg 고용층 (32) 의 내부에 금속간 화합물상 (33) 이 분산되어 있는 것이 관찰되었다.
＜실시예 2＞
표 3 에 나타내는 구조의 구리/세라믹스 접합체를 형성하였다. 상세히 서술하면, 가로 세로 40 mm 의 세라믹스 기판의 양면에, 표 3 에 나타내는 바와 같이, 활성 금속의 단체 및 Mg 단체를 성막한 구리판을 적층하고, 표 3 에 나타내는 접합 조건에서 접합하여, 구리/세라믹스 접합체를 형성하였다. 세라믹스 기판의 두께는 질화알루미늄의 경우에는 두께 0.635 mm, 질화규소의 경우에는 두께 0.32 mm 를 사용하였다. 또, 접합시의 진공로의 진공도는 5 × 10-3 Pa 로 하였다.
이와 같이 하여 얻어진 구리/세라믹스 접합체에 대해, 실시예 1 과 마찬가지로, 접합 계면을 관찰하여, 활성 금속 질화물층, Mg 고용층, Mg 고용층에 있어서의 활성 금속의 유무 (금속간 화합물상의 유무), 활성 금속 질화물층 중의 Cu 입자의 유무 및 Cu 농도를 확인하였다. 또, 구리/세라믹스 접합체의 초기 접합률, 냉열 사이클 후의 세라믹스 기판의 균열, 마이그레이션성은, 실시예 1 과 동일하게 평가하였다. 평가 결과를 표 4 에 나타낸다.
Figure 112019082548214-pct00003
Figure 112019082548214-pct00004
활성 금속 및 Mg 배치 공정에 있어서, 활성 금속량 (Zr 량) 이 50.4 μmol/㎠ 로 본 발명의 범위보다 많은 비교예 21, 및, 활성 금속량 (Nb 량) 이 61.2 μmol/㎠ 로 본 발명의 범위보다 많은 비교예 22 에 있어서는, 세라믹스 기판의 균열이 확인되었다. Mg 고용층에 존재하는 활성 금속량이 많아, Mg 고용층이 단단해졌기 때문으로 추측된다.
활성 금속 및 Mg 배치 공정에 있어서, 활성 금속량 (Hf 량) 이 0.2 μmol/㎠ 로 본 발명의 범위보다 적은 비교예 23, 및, 활성 금속량 (Hf 량 ＋ Nb 량) 이 0.2 μmol/㎠ 로 본 발명의 범위보다 적은 비교예 24 에 있어서는, 초기 접합률이 낮아졌다.
이에 반하여, 본 발명예 21 ∼ 27 에 있어서는, 초기 접합률도 높고, 세라믹스 기판의 균열도 확인되지 않았다. 또, 마이그레이션도 양호하였다.
이상으로부터, 본 발명예에 의하면, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합되고, 내마이그레이션성이 우수한 구리/세라믹스 접합체 (절연 회로 기판) 를 제공 가능하다는 것이 확인되었다.
＜실시예 3＞
표 5 에 나타내는 구조의 절연 회로 기판을 형성하였다. 상세히 서술하면, 가로 세로 40 mm 의 세라믹스 기판의 양면에, 표 5 에 나타내는 바와 같이, 활성 금속의 단체 및 Mg 단체를 성막한 구리판을 적층하고, 표 5 에 나타내는 접합 조건에서 접합하여, 회로층을 갖는 절연 회로 기판을 형성하였다. 세라믹스 기판의 두께는 질화알루미늄의 경우에는 두께 0.635 mm, 질화규소의 경우에는 두께 0.32 mm 를 사용하였다. 또, 접합시의 진공로의 진공도는 5 × 10-3 Pa 로 하였다.
이와 같이 하여 얻어진 절연 회로 기판에 대해, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 계면에 있어서의 Cu2Mg 상의 면적률, 및, 회로층에 초음파 접합한 단자의 풀 강도를, 이하와 같이 하여 평가하였다.
(Cu2Mg 상의 면적률)
구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을, 전자선 마이크로애널라이저 (니혼 전자 주식회사 제조 JXA-8539F) 를 사용하여, 배율 750 배, 가속 전압 15 kV 의 조건에서 접합 계면을 포함하는 영역 (120 ㎛ × 160 ㎛) 의 Mg 의 원소 MAP 을 취득하고, Mg 의 존재가 확인된 영역 내에서의 정량 분석의 5 점 평균으로, Mg 농도가 30 원자％ 이상 40 원자％ 이하를 만족한 영역을 Cu2Mg 상으로 하였다.
관찰 시야 내에 있어서, 세라믹스 기판의 접합면과 세라믹스 기판의 접합면으로부터 구리판측으로 50 ㎛ 까지의 영역의 면적 A 를 구한다. 이 영역 내에 있어서 Cu2Mg 상의 면적 B 를 구하고, Cu2Mg 상의 면적률 B/A × 100 (％) 을 구하였다. 상기 서술한 바와 같이 Cu2Mg 상의 면적률을 5 시야에서 측정하고, 그 평균치를 표 5 에 기재하였다.
(풀 강도)
도 10a 및 도 10b 에 나타내는 바와 같이, 절연 회로 기판의 회로층 상에, 스테이지 (40) 를 포함하는 초음파 금속 접합기 (초음파 공업 주식회사 제조 60C-904) 를 사용하여, 구리 단자 (폭 : 5 mm, 두께 T : 1.0 mm, 길이 L1 : 20 mm, 길이 L2 : 10 mm) 를, 코프라스량 0.3 mm 의 조건에서 초음파 접합하였다.
툴 속도 Y 가 5 mm/s, 스테이지 속도 X 가 5 mm/s 인 조건에서 구리 단자를 풀하였을 때의 파단 하중을 접합 면적으로 나눈 값을 풀 강도로서 표 5 에 기재하였다.
Figure 112019082548214-pct00005
본 발명예 31 ∼ 43 을 비교하면, Cu2Mg 상의 면적률이 낮을수록, 풀 강도가 높아지는 것이 확인되었다. 따라서, 초음파 접합성을 향상시키는 경우에는, Cu2Mg 상의 면적률을 낮게 억제하는 것이 효과적인 것이 확인되었다.
본 발명에 의하면, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합되고, 내마이그레이션성이 우수한 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및, 상기 서술한 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.
10, 110 : 절연 회로 기판
11, 111 : 세라믹스 기판
12, 112 : 회로층
13, 113 : 금속층
22, 23, 122 : 구리판
31, 131 : 활성 금속 질화물층
32, 132 : Mg 고용층
33, 133 : 금속간 화합물상
35, 135 : Cu 입자

Claims (14)

  1. 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 질화알루미늄 또는 질화규소로 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 또는 2 종 이상의 활성 금속의 질화물을 함유하는 활성 금속 질화물층이 형성되고, 상기 활성 금속 질화물층과 상기 구리 부재 사이에 Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있고,
    상기 Mg 고용층에는, 상기 활성 금속이 존재하는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 Mg 고용층에는, Cu 와 상기 활성 금속을 함유하는 금속간 화합물상이 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 금속 질화물층의 내부에, Cu 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 금속이 Ti 인 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹스 부재와 상기 구리 부재 사이에 있어서, 상기 세라믹스 부재의 접합면으로부터 상기 구리 부재측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu2Mg 상의 면적률이 15 ％ 이하인 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  6. 질화알루미늄 또는 질화규소로 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 또는 2 종 이상의 활성 금속의 질화물을 함유하는 활성 금속 질화물층이 형성되고, 이 활성 금속 질화물층과 상기 구리판 사이에 Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있고,
    상기 Mg 고용층에는, 상기 활성 금속이 존재하는 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 Mg 고용층에는, Cu 와 상기 활성 금속을 함유하는 금속간 화합물상이 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 활성 금속 질화물층의 내부에, Cu 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
  9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 활성 금속이 Ti 인 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
  10. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판과 상기 구리판 사이에 있어서, 상기 세라믹스 기판의 접합면으로부터 상기 구리판측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu2Mg 상의 면적률이 15 ％ 이하인 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
  11. 제 1 항 내지 제 5 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 또는 2 종 이상의 활성 금속의 단체 및 Mg 단체를 배치하는 활성 금속 및 Mg 배치 공정과,
    상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를, 상기 활성 금속의 단체 및 상기 Mg 단체를 개재하여 적층하는 적층 공정과,
    상기 활성 금속의 단체 및 상기 Mg 단체를 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, 상기 활성 금속의 단체의 활성 금속량이 0.4 μmol/㎠ 이상 47.0 μmol/㎠ 이하이고, 상기 Mg 단체의 Mg 량이 7.0 μmol/㎠ 이상 143.2 μmol/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 접합 공정에 있어서의 가압 하중이 0.049 MPa 이상 3.4 MPa 이하이고,
    상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도는, 상기 구리 부재의 Cu 와 상기 Mg 단체의 Mg 가 접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 500 ℃ 이상 850 ℃ 이하이고, 상기 Cu 와 상기 Mg 가 비접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 670 ℃ 이상 850 ℃ 이하인 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법.
  13. 질화알루미늄 또는 질화규소로 이루어지는 세라믹스 기판의 표면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합되어 이루어지는 절연 회로 기판을 제조하는 절연 회로 기판의 제조 방법으로서,
    상기 구리판과 상기 세라믹스 기판 사이에, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속의 단체 및 Mg 단체를 배치하는 활성 금속 및 Mg 배치 공정과,
    상기 구리판과 상기 세라믹스 기판을, 상기 활성 금속의 단체 및 상기 Mg 단체를 개재하여 적층하는 적층 공정과,
    상기 활성 금속의 단체 및 상기 Mg 단체를 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, 상기 활성 금속의 단체의 활성 금속량이 0.4 μmol/㎠ 이상 47.0 μmol/㎠ 이하이고, 상기 Mg 단체의 Mg 량이 7.0 μmol/㎠ 이상 143.2 μmol/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 접합 공정에 있어서의 가압 하중이 0.049 MPa 이상 3.4 MPa 이하이고,
    상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도는, 상기 구리판의 Cu 와 상기 Mg 단체의 Mg 가 접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 500 ℃ 이상 850 ℃ 이하이고, 상기 Cu 와 상기 Mg 가 비접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 670 ℃ 이상 850 ℃ 이하인 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판의 제조 방법.
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