KR102580589B1 - 전력반도체 모듈의 제조방법 및 이에 의해 제조된 전력반도체 모듈 - Google Patents

전력반도체 모듈의 제조방법 및 이에 의해 제조된 전력반도체 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력반도체 모듈의 제조방법 및 이에 의해 제조된 전력반도체 모듈에 관한 것으로, 베이스 플레이트를 소둔 열처리하여 열 응력을 제거하는 단계와, 베이스 플레이트의 상면에 브레이징 필러층을 배치하는 단계와, 브레이징 필러층이 배치된 베이스 플레이트 상에 세라믹기판을 적층하여 브레이징 접합하는 단계를 포함한다. 본 발명은 기존 솔더링 접합 문제를 해결하며 다양한 베이스 플레이트에 대한 신뢰성 있는 접합이 가능하고 공정 단순화가 가능한 이점이 있다.

Description

전력반도체 모듈의 제조방법 및 이에 의해 제조된 전력반도체 모듈{METHOD OF MANUFACTURING POWER SEMICONDUCTOR MODULE AND POWER SEMICONDUCTOR MODULE MANUFACTURED THEREBY}
본 발명은 전력반도체 모듈의 제조방법 및 이에 의해 제조된 전력반도체 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 갖는 전력반도체 모듈의 제조방법 및 이에 의해 제조된 전력반도체 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 전력반도체 모듈에서 베이스 플레이트는 사각 플레이트 형상으로 형성되며 알루미늄 또는 구리 재질로 형성된다. 이러한 베이스 플레이트는 세라믹기판의 하면에 접합되어 방열판으로 사용될 수 있다. 이러한 베이스 플레이트는 방열에 유리하도록 세라믹기판의 하면에 솔더링 접합될 수 있다.
그런데, 종래의 베이스 플레이트의 경우, 열팽창 계수가 17ppm/K이기 때문에 세라믹기판과의 접합 공정 중에 열팽창의 차이로 인한 휨이 발생할 수 있다. 또한 높은 온도에서 솔더페이스트가 녹아 베이스 플레이트의 휨, 결함 등이 유발될 수 있다.
이에 대한 해결 방안으로 AlSiC 또는 이와 유사한 재료로 250℃ 이하의 온도에서 세라믹기판과 베이스 플레이트를 접합한다. 종래의 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조에 의하면, 베이스 플레이트는 솔더프리폼(Solder Preform)을 매개로 세라믹기판에 솔더링 접합된다. 이때, 솔더프리폼은 Sn, Ag, Cu를 포함하는 조성으로 이루어지는 SAC305를 사용하며, 솔더링 온도는 230~350℃이다.
그런데, 종래의 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조는 접합에 사용되는 솔더페이스트와 솔더프리폼, 진공접합설비 등의 공정으로 인해 공정 비용이 상승하며, 접합 신뢰성과 수율 문제 등을 야기하고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 신뢰성을 향상시키고, 다양한 베이스 플레이트에 대한 고신뢰성 접합이 가능하며, 공정 단순화 및 공정비용 절감이 가능한 전력반도체 모듈의 제조방법 및 이에 의해 제조된 전력반도체 모듈을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전력반도체 모듈의 제조 방법은, 베이스 플레이트를 소둔 열처리하여 열 응력을 제거하는 단계와, 베이스 플레이트의 상면에 브레이징 필러층을 배치하는 단계와, 브레이징 필러층이 배치된 베이스 플레이트 상에 세라믹기판을 적층하여 브레이징 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
소둔 열처리하는 단계에서, 소둔 온도는 600℃ 내지 750℃의 온도일 수 있다.
브레이징 필러층을 배치하는 단계에서, 페이스트 도포, 포일(foil) 부착, P-filler 중 어느 하나의 방법으로 베이스 플레이트의 상면에 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 두께를 갖는 브레이징 필러층을 배치할 수 있다.
브레이징 접합하는 단계는, 800~950℃에서 수행하고, 브레이징 중에 상부 중량 또는 가압을 실시할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력반도체 모듈의 제조방법에 의해 제조된 전력반도체 모듈은, 소둔 열처리되어 열 응력이 제거된 베이스 플레이트와, 베이스 플레이트의 상면에 배치되는 브레이징 필러층과, 브레이징 필러층을 매개로 베이스 플레이트의 상면에 브레이징 접합되는 세라믹기판을 포함할 수 있다.
여기서, 베이스 플레이트는 600℃ 내지 750℃의 온도에서 소둔 열처리될 수 있다.
세라믹기판은 세라믹 기재에 금속으로 이루어진 전극패턴이 형성될 수 있다.
브레이징 필러층은 Ag, Cu, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어질 수 있다.
베이스 플레이트는, Cu, Al, W, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu 및 Cu/W/Cu 중 적어도 하나 또는 이들의 복합소재로 이루어질 수 있다.
한편, 베이스 플레이트는 제1 금속시트와, 제1 금속시트의 상면에 형성된 제2 금속시트와, 제2 금속시트의 상면에 형성된 제3 금속시트를 포함할 수 있고, 제1 금속시트와 제3 금속시트는 동일 금속재질로 형성될 수 있고, 제2 금속시트는 제1 금속시트 및 제3 금속시트와 다른 금속 재질일 수 있다.
여기서, 제2 금속시트는 Mo, W, CuMo, CuW 중 하나의 금속시트 또는 이들의 혼합 금속시트로 이루어질 수 있고, 제1 금속시트와 제3 금속시트는 Cu 금속시트로 이루어질 수 있다.
또한, 제1 금속시트와 제2 금속시트의 사이, 제2 금속시트와 제3 금속시트의 사이에 배치된 브레이징 필러를 포함하고, 제1 금속시트, 제2 금속시트 및 제3 금속시트는 브레이징 필러를 매개로 브레이징 접합될 수 있다.
여기서, 브레이징 필러는 Ag, Cu, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어질 수 있다.
본 발명은 베이스 플레이트를 세라믹기판에 브레이징 접합함으로써 접합강도가 높아지고, 솔더프리폼의 사용처럼 진공접합설비 등을 요구하지 않으므로 공정단순화가 가능하며, 상부 중량 또는 가압을 실시하는 것에서 기공 결함이 방지되고 접합강도가 더 높아지므로 접합 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 베이스 플레이트의 열응력을 사전에 제거한 후 브레이징 필러층을 용융시켜 브레이징 접합하기 때문에 접합 신뢰성이 향상되고, 열전도도 특성이 기존 솔더링 접합에 비해 3배 이상 높다는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 브레이징 필러층은 열의 이동을 용이하게 하여 세라믹기판의 열을 베이스 플레이트로 빠르게 이동하므로 방열 효과를 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전력반도체 모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 전력반도체 모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력반도체 모듈 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 전력반도체 모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 전력반도체 모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 단면도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 전력반도체 모듈에 포함되는 구성 중 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조에 특징이 있으므로, 이를 중심으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전력반도체 모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 전력반도체 모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바에 의하면, 본 발명은 소둔 열처리되어 열 응력이 제거된 베이스 플레이트(100), 베이스 플레이트(100)의 상면에 배치되는 브레이징 필러층(200) 및 브레이징 필러층(200)을 매개로 베이스 플레이트(100)의 상면에 브레이징 접합되는 세라믹기판(300)을 포함할 수 있다.
전력반도체 모듈은 세라믹기판(300)의 상면에 반도체 칩(미도시)이 실장될 수 있다. 반도체 칩은 Si, LED, VCSEL, SiC, GaN 등의 반도체 칩일 수 있다.
세라믹기판(300)은 AMB(Active Metal Brazing) 기판, DBC(Direct Bonded Copper) 기판, TPC(Thick Printing Copper) 기판 중 어느 하나일 수 있다. 여기서, 세라믹기판(300)은 반도체 칩으로부터 발생하는 열의 방열 효율을 높일 수 있도록, 세라믹기재(310)와 상기 세라믹기재(310)의 적어도 일면에 금속층(320,330)이 형성된 세라믹 기판으로 구비될 수 있다.
세라믹기재(310)는 알루미나(Al2O3), AlN, SiN, Si3N4 중 어느 하나인 것을 일 예로 할 수 있다. 금속층(320,330)은 세라믹기재(310) 상에 금속박이 브레이징 접합되어 반도체 칩을 실장하는 전극패턴 및 구동소자를 실장하는 전극패턴으로 형성될 수 있다. 예컨데, 금속층(320,330)은 반도체 칩 또는 주변 부품이 실장될 영역에 전극패턴으로 형성될 수 있다. 금속박은 알루미늄박 또는 동박인 것을 일 예로 한다. 금속박은 세라믹기재(310) 상에 780℃~1100℃로 소성되어 세라믹기재(310)와 브레이징 접합되는 것을 일 예로 한다. 이러한 기판을 AMB(Active Metal Brazing) 기판이라 한다. 실시예는 AMB 기판을 예로 들어 설명하나 DBC(Direct Bonding Copper) 기판, TPC(Thick Printing Copper) 기판, DBA 기판(Direct Brazed Aluminum)을 적용할 수도 있다. 여기서, AMB 기판은 내구성 및 방열 효율면에서 가장 적합하다.
세라믹기재(310)는 알루미나(Al2O3), AlN, SiN, Si3N4 중 어느 하나인 것을 일 예로 할 수 있고, 금속층(320,330)은 Cu, Cu합금, OFC, EPT Cu, Al 중 하나로 이루어지는 것을 일 예로 할 수 있다. OFC는 무산소동이다.
베이스 플레이트(100)는 세라믹기판(300)의 하면에 접합되어 반도체 칩에서 발생하는 열을 방열하기 위한 방열판으로 사용되며, 600℃ 내지 750℃의 온도에서 소둔 열처리되어 열 응력이 제거된 상태에서 세라믹기판(300)과 브레이징 접합될 수 있다.
베이스 플레이트(100)는 소정의 두께를 가지는 사각 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 베이스 플레이트(100)는 방열 효율을 높일 수 있는 소재로 형성된다. 일 예로, 베이스 플레이트(100)는 Cu, Al, W, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu 및 Cu/W/Cu 중 적어도 하나 또는 이들의 복합소재로 이루어질 수 있다. Cu, Al, W, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu 및 Cu/W/Cu의 소재는 열전도도가 우수하고, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu 및 Cu/W/Cu의 소재는 저열팽창 계수를 가져 세라믹기판(300)과 접합 시 휨 발생을 최소화할 수 있다.
브레이징 필러층(200)은 베이스 플레이트(100)의 상면에 배치될 수 있다. 브레이징 필러층(200)은 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300) 간의 접합 특성을 확보하기 위한 것이다.
브레이징 필러층(200)은 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 두께를 가진다. 브레이징 필러층(200)은 다층 구조의 박막으로 형성할 수 있다. 다층 구조의 박막은 부족한 성능을 보완하여 접합력을 높이기 위한 것이다. 브레이징 필러층(200)은 Ag, Cu, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어질 수 있다. Ag와 Cu는 열전도도가 높아 접합력을 높이는 역할과 동시에 세라믹기판(300)과 베이스 플레이트(100) 간 열 전달을 용이하게 하여 방열 효율을 높인다. Ti는 젖음성이 좋아 베이스 플레이트(100)에 Ag와 Cu의 부착을 용이하게 한다.
일 예로, 브레이징 필러층(200)은 Ag층과 Ag층 상에 형성된 Cu층을 포함하는 2층 구조로 이루어질 수 있다. 또는 브레이징 필러층(200)은 Ti층(200a)과 Ti층(200a) 상에 형성된 Ag층(200b)과 Ag층(200b) 상에 형성된 Cu층(200c)을 포함하는 3층 구조로 이루어질 수 있다. 브레이징 필러층(200)은 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)의 접합에 사용되며, 브레이징 접합 후 다층 구조의 경계가 모호해질 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력반도체 모듈 제조방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 실시예에 따른 전력반도체 모듈 제조방법은 도 4에 도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(100)를 소둔 열처리하여 열 응력을 제거하는 단계(S10)와, 베이스 플레이트(100)의 상면에 브레이징 필러층(200)을 배치하는 단계(S20)와, 브레이징 필러층(200)이 배치된 베이스 플레이트(100) 상에 세라믹기판(300)을 적층하여 브레이징 접합하는 단계(S30)를 포함할 수 있다.
베이스 플레이트(100)를 소둔 열처리하여 열 응력을 제거하는 단계(S10)에서, 베이스 플레이트(100)는 Cu, Al, W, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu 중 적어도 하나 또는 이들의 복합소재로 이루어지는 플레이트를 준비한다. 바람직하게는 베이스 플레이트(100)는 AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu 중 적어도 하나 또는 이들의 복합소재로 이루어지는 플레이트를 준비한다. AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu 재질은 Cu와 Al에 비해 낮은 열팽창 계수를 가져 고온에서 열팽창 계수의 차이로 늘어나는 휨 현상을 최소화할 수 있다.
베이스 플레이트(100)의 두께는 1.0mm~3.0mm 범위일 수 있다. 바람직하게는 베이스 플레이트(100)의 두께는 2.0mm 이상으로 되어 방열에 유리하고 휨 발생이 최소화될 수 있다.
베이스 플레이트(100)를 소둔 열처리하여 열 응력을 제거하는 단계(S10)는, 베이스 플레이트(100)의 열 응력을 사전에 제거하기 위한 것이다.
베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)은 800~950℃의 고온에서 브레이징 접합되는 공정 중에 열팽창 계수의 차이에 의해 열 응력이 발생할 수 있다. 이러한 열 응력에 의해 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)의 접합 부위가 손상될 수 있으며, 열 전달이 제대로 이루어지지 않아 방열 특성이 저하될 수 있다.
따라서, 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300) 사이에 배치된 브레이징 필러층(200)을 완전 용융시켜 브레이징 접합하는 단계(S30) 이전에 베이스 플레이트(100)를 소둔 열처리하여 열 응력을 제거하는 단계(S10)를 거치면, 베이스 플레이트(100)에 부여된 열 응력이 사전에 제거되고, 이로 인해 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)을 브레이징 접합하는 과정에서 열팽창과 열수축에 의해 생성되는 열응력이 완화되어 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 접합 부위가 손상되지 않기 때문에 열 전달 효과가 우수해져 방열 특성을 향상시킬 수 있다. 기존의 솔더링을 이용한 접합 구조의 경우 열전도도가 110W/m.K으로 나타났고, 본 발명의 실시예에 따른 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)의 브레이징 접합 구조는 열전도도가 370W/m.K으로 나타났다. 즉, 본 발명의 브레이징 접합 구조가 기존의 솔더링 접합 구조보다 열전도도 특성이 약 3배 이상 높은 것으로 나타났다.
소둔 열처리하여 열 응력을 제거하는 단계(S10)는 전기로나 가스로에서 600~750℃의 온도로 실시될 수 있다. 소둔 온도가 600℃에 미치지 못하면 열 응력 제거 시간이 필요 이상으로 소요될 수 있고, 소둔 온도가 750℃를 초과하면 소둔에 의한 효과가 포화되어 경제적이지 않다. 따라서, 소둔 온도는 600~750℃인 것이 바람직하다.
또한, 소둔 열처리하여 열 응력을 제거하는 단계(S10) 이후에, 베이스 플레이트(100)의 재질에 따라 추가적으로 사이징(Sizing) 공정을 수행하여 치수의 정밀도를 높이거나 휨을 제어할 수도 있다.
베이스 플레이트(100)의 상면에 브레이징 필러층(200)을 배치하는 단계(S20)는, 페이스트 도포, 포일(foil) 부착, P-filler 중 어느 하나의 방법으로 베이스 플레이트(100)의 상면에 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 두께를 갖는 브레이징 필러층(200)을 배치한다. 브레이징 필러층(200)은 Ag, Cu, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어질 수 있다.
브레이징 필러층(200)이 배치된 베이스 플레이트(100) 상에 세라믹기판(300)을 적층하여 브레이징 접합하는 단계(S30)에서, 세라믹기판(300)은 세라믹기재(310)와 세라믹기재(310)의 적어도 일면에 브레이징 접합된 금속층(320,330)을 포함하는 세라믹기판(300)이 구비될 수 있다. 일 예로, 세라믹기판은 AMB 기판, DBC 기판, TPC 기판, DBA 기판 중 어느 하나가 구비될 수 있다.
브레이징 접합하는 단계(S30)는 450℃ 이상, 바람직하게는 800~950℃에서 수행하고, 브레이징 중에 접합력을 높이기 위해 상부 중량 또는 가압을 실시할 수 있다.
일 예로, 브레이징 접합하는 단계(S30)는, 브레이징 필러층(200)이 상면에 배치된 베이스 플레이트(100) 상에 세라믹기판(300)을 적층한 적층체를 준비하고, 상기 적층체를 브레이징로(미도시) 내의 상부 가압지그와 하부 가압지그 사이에 배치하여 가열 중에 적층체의 상하면을 가압할 수 있다.
또는, 상기 적층체를 브레이징로 내에 배치하고 적층체의 상면에 중량체를 배치하여 상부에서 가압할 수도 있다. 브레이징 접합하는 단계에서 상부 중량 또는 가압을 실시하는 것은 보이드(Void)가 없는 접합을 위한 것이다.
브레이징로는 가열 온도를 800℃ 이상, 바람직하게는 800~950℃ 범위로 제어하여 효율적인 브레이징 공정이 이루어지도록 한다. 일 예로, 바람직한 브레이징 온도는 870℃이다.
브레이징 접합은 솔더프리폼의 사용처럼 진공접합설비 등을 요구하지 않으므로 공정단순화가 가능하고, 상부 중량 또는 가압을 실시함으로써 기공 결함이 방지되며 접합강도가 높아지므로 높은 접합 신뢰성을 갖는다.
브레이징 접합하는 단계(S30)를 거치면, 베이스 플레이트(100)는 세라믹기판(300)과 일체화될 수 있다.
여기서, 본 발명은 베이스 플레이트(100)가 세라믹기판(300)의 금속층(320)에 접합된 예를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 베이스 플레이트(100)는 세라믹기판(300)에서 금속층(320)이 형성되지 않은 영역에도 브레이징 필러층(200)을 매개로 접합될 수 있다.
전술한 실시예는 베이스 플레이트(100)가 단층 구조로 이루어진다. 그러나 베이스 플레이트는 저열팽창 계수(Low CTE)를 가지도록 다층 구조로 이루어질 수도 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 전력반도체 모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 단면도이고, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 전력반도체 모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 단면도이다. 다른 실시예와 또 다른 실시예는 전술한 실시예와 대비하여 베이스 플레이트가 다층 구조로 이루어지는 것에 차이가 있다.
도 4에 도시된 바에 의하면, 베이스 플레이트(100')는 3층 이상의 적층 구조로 형성하여 두께가 1.0mm 이상이 되도록 할 수 있다. 일 예로, 베이스 플레이트(100')는 이종 재질의 금속시트가 적층된 다층 구조로 형성하고 두께가 1.0mm 이상이 되도록 하여 방열에 유리하고 휨 발생이 최소화되도록 할 수 있다.
베이스 플레이트(100')는 제1 금속시트(110), 제2 금속시트(120) 및 제3 금속시트(130)를 포함할 수 있다. 즉, 베이스 플레이트(100')는 제1 금속시트(110)의 상면에 제2 금속시트(120)가 형성되고, 제2 금속시트(120)의 상면에 제3 금속시트(130)가 형성된 3층 구조일 수 있다.
제1 금속시트(110)와 제3 금속시트(130)는 동일 금속재질로 형성되고, 제2 금속시트(120)는 제1 금속시트(110) 및 제3 금속시트(130)와 다른 금속재질로 형성될 수 있다. 제2 금속시트(120)는 열팽창 계수가 낮은 금속재질로 형성되고, 제1 금속시트(110) 및 제3 금속시트(130)는 열전도도가 우수한 재질로 형성됨이 바람직하다. 열팽창 계수가 낮은 금속재질의 제2 금속시트(120)의 상면과 하면에 열전도도가 우수한 금속재질의 제1 금속시트(110)와 제3 금속시트(130)를 접합하여 저열팽창 계수를 가지는 베이스 플레이트(100')를 제조할 수 있다.
일 예로, 제1 금속시트(110)와 제3 금속시트(130)는 Cu 재질 금속시트로 이루어지고, 제2 금속시트(120)는 Mo, W, CuMo, CuW 중 하나의 금속시트 또는 이들의 혼합 금속시트로 이루어질 수 있다.
여기서, 베이스 플레이트(100')의 제1 금속시트(110)가 Cu 재질 금속시트로 이루어지고, 제2 금속시트(120)가 CuMo 재질 금속시트로 이루어지며, 제3 금속시트(130)가 Cu 재질 금속시트로 이루어지는 CPC 소재일 경우, CuMo는 낮은 열팽창 계수로 휨 발생 방지를 위한 것이고, Cu는 방열을 위한 열전도도 확보를 위한 것이다.
즉, 베이스 플레이트(100')는 열팽창 계수가 상대적으로 낮은 CuMo 재질 금속시트의 상면과 하면에, 열팽창 계수는 상대적으로 높으나 열전도도가 높은 Cu 재질 금속시트가 형성된 3층 금속시트 구조로 구비될 수 있다. 이러한 베이스 플레이트(100')는 Cu 재질 금속시트의 휨을 CuMo 재질 금속시트가 흡수할 수 있고, 이로 인해 고온에서 열팽창 계수의 차이로 발생하는 휨 현상을 줄일 수 있다.
베이스 플레이트(100')는 CuMo 재질 금속시트를 용탕에 침투시켜 CuMo 재질 금속시트의 상면과 하면에 Cu층을 코팅한 다음, 압연하여 Cu/CuMo/Cu의 3층 구조로 형성할 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(100")는 제1 금속시트(110)의 상면에 제2 금속시트(120)가 접합되고, 제2 금속시트(120)의 상면에 제3 금속시트(130)가 접합된 3층 구조일 수 있다. 제1 금속시트(110), 제2 금속시트(120) 및 제3 금속시트(130)를 접합하여 다층 구조로 형성하면 두께에 대한 임계점이 없이 원하는 두께의 베이스 플레이트(100")를 제조할 수 있다.
베이스 플레이트(100")는 제1 금속시트(110)의 상면에 브레이징 필러(p)를 매개로 제2 금속시트(120)가 브레이징 접합되고, 제2 금속시트(120)의 상면에 브레이징 필러(p)를 매개로 제3 금속시트(130)가 브레이징 접합된 3층의 적층형 구조일 수 있다.
브레이징 필러(p)는 Ag, Cu, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어질 수 있다. 일 예로, 브레이징 필러(p)는 Ag층과 Ag층 상에 형성된 Cu층을 포함하는 2층 구조로 이루어질 수 있다. 또는 브레이징 필러(p)는 Ti층과, Ti층 상에 형성된 Ag층과, Ag층 상에 형성된 Cu층을 포함하는 3층 구조로 이루어질 수 있다.
그리고, 일 예로, CuMo 재질 금속시트의 상면과 하면에 브레이징 필러(p)를 매개로 Cu 재질 금속시트를 접합하여 3층 구조 또는 다층 접합 구조로 형성하면 두께 2.0mm 이상인 베이스 플레이트(100")를 제조할 수 있다.
베이스 플레이트(100")는 Cu/CuMo/Cu의 3층 접합 금속시트 구조로 형성되거나 AlSiC로 형성되는 경우, 세라믹기판(300)과의 접합에서 우수한 접합 특성을 가질 수 있으며, 열팽창 계수는 6.8~12ppm/K, 열전도도는 220~370W/m.K인 특성을 가질 수 있다.
상술한 본 발명은 베이스 플레이트를 세라믹기판과 동시에 고온에서 브레이징 접합하므로 접합 신뢰성이 높아지고 공정 단순화가 가능하며 공정비용 절감에 기여할 수 있다.
특히, 브레이징 접합은 종래의 솔더프리폼의 사용처럼 진공접합설비 등을 요구하지 않으므로 공정단순화가 가능하고, 상부 중량 또는 가압을 실시함으로써 기공 결함이 방지되며 접합강도가 높아지므로 접합 신뢰성을 높일 수 있다.
또한, 베이스 플레이트는 세라믹기판과 브레이징 접합되기 전에 열 응력이 제거되기 때문에 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 우수한 열전도도를 가져 전력반도체 모듈에서 요구하는 방열 조건을 만족할 수 있다.
상술한 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조는 전력반도체 모듈에 적용되는 것을 예로 들어 설명하였으나, 고신뢰성 접합이 요구되는 다양한 접합 구조에 적용 가능하다.
또한, 본 발명은 실시예, 다른 실시예 및 또 다른 실시예로 분리하여 설명하였으나 이들을 혼용하여 적용 가능하다.
본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100,100',100”: 베이스 플레이트 200: 브레이징 필러층
200a: Ti층 200b: Ag층
200c: Cu층 300: 세라믹기판
310: 세라믹기재 320,330: 금속층
110: 제1 금속시트 120: 제2 금속시트
130: 제3 금속시트 p: 브레이징 필러

Claims (13)

  1. 브레이징 접합 단계에서 열팽창과 열수축에 의해 생성되는 열 응력을 완화시키기 위해 베이스 플레이트를 소둔 열처리하여 열 응력을 제거하는 단계;
    상기 소둔 열처리하여 열 응력이 제거된 상기 베이스 플레이트의 상면에 브레이징 필러층을 배치하는 단계; 및
    상기 브레이징 필러층이 배치된 상기 베이스 플레이트 상에 세라믹기판을 적층하여 브레이징 접합하는 단계;
    를 포함하는 전력반도체 모듈의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소둔 열처리하여 열 응력을 제거하는 단계에서,
    소둔 온도는 600℃ 내지 750℃의 온도인 전력반도체 모듈의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 브레이징 필러층을 배치하는 단계에서,
    페이스트 도포, 포일(foil) 부착, P-filler 중 어느 하나의 방법으로 상기 베이스 플레이트의 상면에 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 두께를 갖는 브레이징 필러층을 배치하는 전력반도체 모듈의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 브레이징 접합하는 단계는,
    800~950℃에서 수행하고, 브레이징 중에 상부 중량 또는 가압을 실시하는 전력반도체 모듈의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트는 600℃ 내지 750℃의 온도에서 소둔 열처리되는 전력반도체 모듈의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹기판은 세라믹 기재에 금속으로 이루어진 전극패턴이 형성된 전력반도체 모듈의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 브레이징 필러층은 Ag, Cu, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어지는 전력반도체 모듈의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트는,
    Cu, Al, W, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu 및 Cu/W/Cu 중 적어도 하나 또는 이들의 복합소재로 이루어지는 전력반도체 모듈의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트는,
    제1 금속시트;
    상기 제1 금속시트의 상면에 형성된 제2 금속시트; 및
    상기 제2 금속시트의 상면에 형성된 제3 금속시트를 포함하고,
    상기 제1 금속시트와 상기 제3 금속시트는 동일 금속재질로 형성되며,
    상기 제2 금속시트는 상기 제1 금속시트 및 상기 제3 금속시트와 다른 금속 재질인 전력반도체 모듈의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 금속시트는 Mo, W, CuMo, CuW 중 하나의 금속시트 또는 이들의 혼합 금속시트로 이루어지고,
    상기 제1 금속시트와 상기 제3 금속시트는 Cu 금속시트로 이루어진 전력반도체 모듈의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 금속시트와 상기 제2 금속시트의 사이, 상기 제2 금속시트와 상기 제3 금속시트의 사이에 배치된 브레이징 필러를 포함하고,
    상기 제1 금속시트, 상기 제2 금속시트 및 상기 제3 금속시트는 상기 브레이징 필러를 매개로 브레이징 접합된 전력반도체 모듈의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 브레이징 필러는 Ag, Cu, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어지는 전력반도체 모듈의 제조방법.
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