KR20110015544A - 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법 - Google Patents

파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20110015544A
KR20110015544A KR1020107025160A KR20107025160A KR20110015544A KR 20110015544 A KR20110015544 A KR 20110015544A KR 1020107025160 A KR1020107025160 A KR 1020107025160A KR 20107025160 A KR20107025160 A KR 20107025160A KR 20110015544 A KR20110015544 A KR 20110015544A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metal plate
ceramic substrate
power module
substrate
silicon
Prior art date
Application number
KR1020107025160A
Other languages
English (en)
Inventor
요시로우 구로미츠
가즈히로 아키야마
다케시 기타하라
히로시 도노무라
Original Assignee
미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2008129669A external-priority patent/JP4935753B2/ja
Priority claimed from JP2008129668A external-priority patent/JP4807378B2/ja
Priority claimed from JP2008129670A external-priority patent/JP4798171B2/ja
Application filed by 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 filed Critical 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Publication of KR20110015544A publication Critical patent/KR20110015544A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/021—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles in a direct manner, e.g. direct copper bonding [DCB]
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/05—Insulated conductive substrates, e.g. insulated metal substrate
    • H05K1/053—Insulated conductive substrates, e.g. insulated metal substrate the metal substrate being covered by an inorganic insulating layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • C04B35/645—Pressure sintering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/023—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
    • C04B37/026—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used consisting of metals or metal salts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0201—Thermal arrangements, e.g. for cooling, heating or preventing overheating
    • H05K1/0203—Cooling of mounted components
    • H05K1/021—Components thermally connected to metal substrates or heat-sinks by insert mounting
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0201—Thermal arrangements, e.g. for cooling, heating or preventing overheating
    • H05K1/0212—Printed circuits or mounted components having integral heating means
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/18—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/18—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components
    • H05K1/181—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components associated with surface mounted components
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/02—Arrangements of circuit components or wiring on supporting structure
    • H05K7/06—Arrangements of circuit components or wiring on supporting structure on insulating boards, e.g. wiring harnesses
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/658—Atmosphere during thermal treatment
    • C04B2235/6581—Total pressure below 1 atmosphere, e.g. vacuum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/04—Ceramic interlayers
    • C04B2237/08—Non-oxidic interlayers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/121—Metallic interlayers based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/126—Metallic interlayers wherein the active component for bonding is not the largest fraction of the interlayer
    • C04B2237/128—The active component for bonding being silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/36—Non-oxidic
    • C04B2237/366—Aluminium nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/36—Non-oxidic
    • C04B2237/368—Silicon nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C04B2237/402—Aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/60—Forming at the joining interface or in the joining layer specific reaction phases or zones, e.g. diffusion of reactive species from the interlayer to the substrate or from a substrate to the joining interface, carbide forming at the joining interface
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/704—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the ceramic layers or articles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/708—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the interlayers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49117—Conductor or circuit manufacturing
    • Y10T29/49124—On flat or curved insulated base, e.g., printed circuit, etc.
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12493—Composite; i.e., plural, adjacent, spatially distinct metal components [e.g., layers, joint, etc.]
    • Y10T428/12535—Composite; i.e., plural, adjacent, spatially distinct metal components [e.g., layers, joint, etc.] with additional, spatially distinct nonmetal component
    • Y10T428/12576—Boride, carbide or nitride component

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

이 파워 모듈용 기판은, AlN, Si3N4 또는 A12O3 으로 이루어지며, 표면을 갖는 세라믹스 기판 (11) 과, 상기 세라믹스 기판 (11) 의 상기 표면에 규소를 함유하는 납재를 개재하여 접합되는 순알루미늄으로 이루어지는 금속판 (12, 13) 과, 상기 금속판 (12, 13) 과 상기 세라믹스 기판 (11) 이 접합되는 접합 계면 (30) 에 형성되며, 상기 금속판 (12, 13) 중의 규소 농도의 5 배 이상인 규소 농도를 갖는 고농도부 (32) 또는, 상기 금속판 (12, 13) 중 및 상기 세라믹스 기판 (11) 중의 산소 농도보다 높은 산소 농도를 가지며, 두께가 4 ㎚ 이하인 고농도부 (32) 를 포함한다.

Description

파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법{SUBSTRATE FOR POWER MODULE, POWER MODULE, AND METHOD FOR PRODUCING SUBSTRATE FOR POWER MODULE}
본 발명은 대전류, 고전압을 제어하는 반도체 장치에 사용되는 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈 기판을 포함하는 파워 모듈, 및 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은, 2008년 5월 16일에 출원된 일본 특허출원 2008-129668호, 2008년 5월 16일에 출원된 일본 특허출원 2008-129669호, 및 2008년 5월 16일에 출원된 일본 특허출원 2008-129670호에 기초하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.
종래, 반도체 소자 중에서도 전력 공급을 위하여 파워 모듈이 사용되고 있다. 파워 모듈의 발열량은 비교적 높다. 그 때문에, 이 파워 모듈을 탑재하는 기판으로는, 세라믹스 기판 상에 Al (알루미늄) 의 금속판이 Al-Si 계의 납재를 개재하여 접합된 파워 모듈용 기판이 사용되고 있다. 또, 세라믹스 기판으로는, AlN (질화알루미늄) 으로 이루어지는 기판, Si3N4 (질화규소) 로 이루어지는 기판, 또는 Al2O3 (알루미나) 으로 이루어지는 기판이 사용된다.
또, 이 금속판은 회로층으로서 형성되며, 그 금속판 상에는, 땜납재를 개재하여 파워 소자인 반도체 칩이 탑재된다.
또한, 방열 효율을 개선하기 위하여, Al 등으로 이루어지는 금속판을 세라믹스 기판의 하면에 접합함으로써 금속층을 형성하고, 이 금속층을 개재하여 방열판 상에 파워 모듈용 기판 전체가 접합된 구조가 제안되어 있다.
종래, 예를 들어 하기 특허문헌 1 에 개시되어 있는 바와 같이, 상기 회로층 및 상기 금속층으로서 기능하는 금속판과, 세라믹스 기판 사이의 접합 강도를 양호하게 얻기 위하여, 세라믹스 기판의 표면 조도를 0.5 ㎛ 미만으로 하는 기술이 알려져 있다.
일본 공개특허공보 평3-234045호
그러나, 금속판을 세라믹스 기판에 접합하는 경우, 단순히 세라믹스 기판의 표면 조도를 저감시켜도 충분히 높은 접합 강도가 얻어지지 않아, 신뢰성의 향상을 도모할 수 없다는 문제가 있었다.
예를 들어, 세라믹스 기판의 표면에 대하여, 건식으로 Al2O3 입자에 의해 호닝 처리하여, 표면 조도를 Ra ＝ 0.2 ㎛ 로 해도, 박리 시험에서 계면 박리가 발생하는 경우가 있는 것을 알 수 있었다.
또, 연마법에 의해 표면 조도를 Ra ＝ 0.1 ㎛ 이하로 해도, 역시 동일하게 계면 박리가 발생하는 경우가 있었다.
특히, 최근에는, 파워 모듈의 소형화 및 파워 모듈의 두께를 얇게 하는 것이 요구되고, 그 사용 환경도 엄격해지고 있다. 예를 들어, 열응력이 반복적으로 발생하는 등의 사용 환경에 있어서, 파워 모듈이 사용되고 있다.
또, 최근, 전자 부품으로부터의 발열량이 증가하는 경향이 있어, 전술한 바와 같이 방열판 상에 파워 모듈용 기판을 배치 형성할 필요가 있다.
이 경우, 파워 모듈용 기판이 방열판에 의해 구속되기 때문에, 열사이클이 부하되었을 때에, 금속판과 세라믹스 기판 사이의 접합 계면에 큰 전단력이 작용한다. 그 때문에, 새로운 접합 강도의 향상 및 신뢰성의 향상이 요구되고 있다.
이 발명은 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 금속판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합되어, 열사이클 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈 기판을 포함하는 파워 모듈 및 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 과제를 해결하여 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1 양태의 파워 모듈용 기판은, AlN 으로 이루어지며, 표면을 갖는 세라믹스 기판과, 상기 세라믹스 기판의 상기 표면에 규소를 함유하는 납재를 개재하여 접합되는 순알루미늄으로 이루어지는 금속판과, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판이 접합되는 접합 계면에 형성되며, 상기 금속판 중의 규소 농도의 5 배 이상인 규소 농도를 갖는 고농도부를 포함한다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판과 순알루미늄으로 이루어지는 금속판이 규소를 함유하는 납재에 의해 접합되고, 이 접합 계면에, 상기 금속판 중의 규소 농도의 5 배 이상인 규소 농도를 갖는 고농도부가 형성되어 있다. 이로써, 이 접합 계면에 존재하는 규소 원자에 의해 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판과 순알루미늄으로 이루어지는 금속판 사이의 접합 강도가 향상된다.
여기서, 금속판 중의 규소 농도란, 금속판 중 접합 계면으로부터 일정 거리 (예를 들어, 50 ㎚ 이상) 떨어진 부분에 있어서의 규소 농도이다.
금속판과 세라믹스 기판이 접합되는 접합 계면에 고농도로 존재하는 규소는, 주로 납재 중에 함유된 규소로 생각할 수 있다.
금속판과 세라믹스 기판을 접합할 때에, 규소는 알루미늄 (금속판) 중에 확산되고, 접합 계면으로부터 감소하는데, 세라믹스와 알루미늄 (금속판) 의 계면 부분이 불균일 핵 생성의 사이트가 되고, 규소 원자가 계면 부분에 잔존하여, 상기 금속판 중의 규소 농도의 5 배 이상인 규소 농도를 갖는 고농도부가 형성된다.
본 발명의 제 1 양태의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 고농도부의 산소 농도는, 상기 금속판 중 및 상기 세라믹스 기판 중의 산소 농도보다 높으며, 상기 고농도부의 두께는, 4 ㎚ 이하인 것이 바람직하다.
금속판과 세라믹스 기판이 접합되는 접합 계면에 고농도로 존재하는 산소는, 세라믹스 기판의 표면에 존재하는 산소 및 납재의 표면에 형성된 산화막으로부터 도입된 산소로 생각할 수 있다.
여기서, 산소 농도가 접합 계면에 있어서 고농도로 존재하는 것은, 이들 산화막이 확실하게 제거되도록 충분히 가열되어 있는 것을 의미한다. 따라서, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합할 수 있다.
또한, 이 고농도부의 두께가 4 ㎚ 이하이므로, 열사이클을 부하하였을 때에 발생하는 열응력에 의해 고농도부에 크랙이 발생하는 것이 억제된다.
본 발명의 제 1 양태의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 고농도부를 포함하는 상기 접합 계면을 에너지 분산형 X 선 분석법에 의해 분석한 Al, Si, O, N 의 질량비는, Al : Si : O : N ＝ 40 ∼ 80 wt％ : 2 ∼ 10 wt％ : 20 wt％ 이하 : 10 ∼ 40 wt％ 인 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 고농도부를 포함하는 접합 계면에 존재하는 규소의 질량비가 2 wt％ 이상이므로, 세라믹스 기판과 알루미늄 (금속판) 사이의 접합력을 확실하게 향상시킬 수 있다.
또한, 접합 계면에 있어서, 질량비가 10 wt％ 를 초과하도록 규소를 존재시키기는 곤란하다.
또, 상기 고농도부를 포함하는 접합 계면에 존재하는 산소 원자의 질량비가 20 wt％ 를 초과하면, 산소 농도가 높은 부분의 두께가 커진다. 이로써, 열사이클을 부하하였을 때에, 이 고농도부에 있어서 크랙이 발생하여, 접합 신뢰성이 저하될 우려가 있다.
이 때문에, 산소 농도는 20 wt％ 이하로 억제하는 것이 바람직하다.
또한, 에너지 분산형 X 선 분석법에 의해 분석할 때의 스폿 직경은 매우 작기 때문에, 상기 접합 계면의 복수점 (예를 들어, 10 ∼ 100 점) 이 측정되고, 상기 각 원소의 질량비 평균이 산출된다.
또, 측정할 때에는, 금속판의 결정립계와 세라믹스 기판 사이의 접합 계면을 측정하지 않고, 결정립과 세라믹스 기판 사이의 접합 계면만을 측정한다.
본 발명의 제 2 양태의 파워 모듈은, 상기 제 1 양태의 파워 모듈용 기판과, 상기 파워 모듈용 기판 상에 탑재되는 전자 부품을 포함한다.
이 구성의 파워 모듈에 의하면, 세라믹스 기판과 금속판 사이의 접합 강도가 높고, 열응력이 반복적으로 발생하는 등의 사용 환경에서도, 그 신뢰성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제 3 양태의 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, AlN 으로 이루어지고, 표면을 갖는 세라믹스 기판과, 순알루미늄으로 이루어지는 금속판과, 규소를 함유하는 납재를 준비하고, 상기 세라믹스 기판 및 상기 금속판을, 납재를 개재하여 적층시키고, 상기 적층된 상기 세라믹스 기판, 상기 납재, 및 상기 금속판을 가압한 상태에서 가열하고, 상기 납재를 용융시켜 세라믹스 기판 및 금속판의 계면에 용융 알루미늄층을 형성 (용융 공정) 하고, 상기 용융 알루미늄층을 냉각시킴으로써 상기 용융 알루미늄층을 응고 (응고 공정) 시켜, 상기 용융 공정 및 상기 응고 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판이 접합된 접합 계면에, 상기 금속판 중의 규소 농도의 5 배 이상인 규소 농도를 갖는 고농도부를 생성시킨다.
이 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 상기 용융 공정 및 상기 응고 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판 사이의 접합 계면에, 상기 금속판 중의 규소 농도의 5 배 이상인 규소 농도를 갖는 고농도부를 생성시킨다.
이로써, 규소 원자에 의해 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판과 순알루미늄으로 이루어지는 금속판 사이의 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다.
또, 상기 용융 공정에 있어서는, 납재가 계면에서 충분히 용융되어, 용융 알루미늄층이 형성된다. 그 후, 응고 공정에 있어서는, 용융 알루미늄층이 응고되어 있으므로, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합할 수 있다.
본 발명의 제 3 양태의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서는, 상기 세라믹스 기판 및 상기 금속판을 납재를 개재하여 적층시키기 전에, 상기 세라믹스 기판의 상기 표면에 규소를 미리 부착시키는 (규소 부착 공정) 것이 바람직하다.
또, 상기 세라믹스 기판 및 상기 금속판을 납재를 개재하여 적층시키기 전에, 상기 금속판의 표면에 규소를 미리 부착시키는 것이 바람직하다.
이 경우, 규소 부착 공정에 있어서, 세라믹스 기판과 금속판 사이의 접합 계면에 규소 원소를 확실하게 존재시킬 수 있다.
이로써, 접합 계면에, 상기 금속 중의 규소 농도의 5 배 이상인 규소 농도를 갖는 고농도부를 확실하게 생성시킬 수 있게 되고, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판과 순알루미늄으로 이루어지는 금속판 사이의 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 규소 원자는 스퍼터링 또는 증착 등에 의해 세라믹스 기판의 접합면 (표면) 에 부착시킬 수 있다.
또, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 4 양태의 파워 모듈용 기판은, Si3N4 로 이루어지며, 표면을 갖는 세라믹스 기판과, 상기 세라믹스 기판의 상기 표면에 규소를 함유하는 납재를 개재하여 접합되는 순알루미늄으로 이루어지는 금속판과, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판이 접합되는 접합 계면에 형성되며, 상기 금속판 중 및 상기 세라믹스 기판 중의 산소 농도보다 높은 산소 농도를 가지며, 두께가 4 ㎚ 이하인 산소의 고농도부를 포함한다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, Si3N4 로 이루어지는 세라믹스 기판과 순알루미늄으로 이루어지는 금속판이 융점 강하 원소를 함유하는 납재에 의해 접합되고, 이 접합 계면에, 상기 금속판 중 및 상기 세라믹스 기판 중의 산소 농도보다 높은 산소 농도를 갖는 고농도부가 형성되어 있다. 이로써, 이 접합 계면에 농축된 산소에 의해 Si3N4 로 이루어지는 세라믹스 기판과 순알루미늄으로 이루어지는 금속판 사이의 접합 강도가 향상된다.
또한, 이 고농도부의 두께가 4 ㎚ 이하이므로, 열사이클을 부하하였을 때에 발생하는 열응력에서 기인하여 고농도부에 크랙이 발생하는 것이 억제된다.
여기서, 금속판 중 및 세라믹스 기판 중의 산소 농도란, 금속판 및 세라믹스 기판 중 접합 계면으로부터 일정 거리 (예를 들어, 50 ㎚ 이상) 떨어진 부분에 있어서의 산소 농도이다.
또, 금속판과 세라믹스 기판이 접합되는 접합 계면에 고농도로 존재하는 산소는, 세라믹스 기판의 표면에 존재하는 산소 및 납재의 표면에 형성된 산화막으로부터 도입된 산소로 생각할 수 있다.
여기서, 산소 농도가 접합 계면에 있어서 고농도로 존재하는 것은, 이들 산화막 등이 확실하게 제거되도록 충분히 가열되어 있는 것을 의미한다. 따라서, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합할 수 있다.
본 발명의 제 4 양태의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 접합 계면을 에너지 분산형 X 선 분석법에 의해 분석한 Al, Si, O, N 의 질량비는, Al : Si : O : N ＝ 15 ∼ 50 wt％ : 25 ∼ 50 wt％ : 20 wt％ 이하 : 10 ∼ 40 wt％ 인 것이 바람직하다.
상기 고농도부를 포함하는 접합 계면에 존재하는 산소 원자의 질량비가 20 wt％ 를 초과하면, 산소 농도가 높은 부분의 두께가 커진다. 이로써, 열사이클을 부하하였을 때에, 이 고농도부에 있어서 크랙이 발생하여, 접합 신뢰성이 저하될 우려가 있다.
이 때문에, 산소 농도는 20 wt％ 이하로 억제하는 것이 바람직하다.
또한, 에너지 분산형 X 선 분석법에 의해 분석할 때의 스폿 직경은 매우 작기 때문에, 상기 접합 계면의 복수점 (예를 들어, 10 ∼ 100 점) 이 측정되고, 상기 각 원소의 질량비 평균이 산출된다.
또, 측정할 때에는, 금속판의 결정립계와 세라믹스 기판 사이의 접합 계면을 측정하지 않고, 결정립과 세라믹스 기판 사이의 접합 계면만을 측정한다.
본 발명의 제 4 양태의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 융점 강하 원소가 규소인 것이 바람직하다.
규소는, 알루미늄의 융점을 충분히 강하시키는 원소이다. 그 때문에, 접합 온도를 낮게 설정할 수 있고, 금속판과 세라믹스 기판을 접합할 때에 금속판이 용융되는 것을 방지할 수 있으며, 납재를 확실하게 용융시킬 수 있다.
본 발명의 제 5 양태의 파워 모듈은, 상기 제 4 양태의 파워 모듈용 기판과, 상기 파워 모듈용 기판 상에 탑재되는 전자 부품을 포함한다.
이 구성의 파워 모듈에 의하면, 세라믹스 기판과 금속판 사이의 접합 강도가 높고, 열응력이 반복적으로 발생하는 등의 사용 환경에서도, 그 신뢰성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제 6 양태의 파워 모듈용 기판을 제조하는 방법은, Si3N4 로 이루어지며, 표면을 갖는 세라믹스 기판과, 순알루미늄으로 이루어지는 금속판과, 융점 강하 원소를 함유하는 납재를 준비하고, 상기 세라믹스 기판 및 상기 금속판을, 납재를 개재하여 적층시키고, 상기 적층된 상기 세라믹스 기판, 상기 납재, 및 상기 금속판을 가압한 상태에서 가열하고, 상기 납재를 용융시켜 세라믹스 기판 및 금속판의 계면에 용융 알루미늄층을 형성 (용융 공정) 하고, 상기 용융 알루미늄층을 냉각시킴으로써 상기 용융 알루미늄층을 응고 (응고 공정) 시켜, 상기 용융 공정 및 상기 응고 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판이 접합된 접합 계면에, 상기 금속판 중 및 상기 세라믹스 기판 중의 산소 농도보다 높은 산소 농도를 가지며, 두께가 4 ㎚ 이하인 산소의 고농도부를 생성시킨다.
본 발명의 제 6 양태의 파워 모듈용 기판을 제조하는 방법에 있어서는, 상기 세라믹스 기판 및 상기 금속판을 납재를 개재하여 적층시키기 전에, 상기 세라믹스 기판의 상기 표면에 규소를 미리 부착시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 6 양태의 파워 모듈용 기판을 제조하는 방법에 있어서는, 상기 세라믹스 기판 및 상기 금속판을 납재를 개재하여 적층시키기 전에, 상기 금속판의 표면에 규소를 미리 부착시키는 것이 바람직하다.
이 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 상기 용융 공정 및 상기 응고 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판 사이의 접합 계면에, 상기 금속판 중 및 상기 세라믹스 기판 중의 산소 농도보다 높은 산소 농도를 갖는 산소의 고농도부를 두께 4 ㎚ 이하로 생성시킨다.
이로써, 이 산소에 의해 Si3N4 로 이루어지는 세라믹스 기판과 순알루미늄으로 이루어지는 금속판 사이의 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다.
또, 상기 용융 공정에 있어서는, 납재가 계면에서 충분히 용융되어, 용융 알루미늄층이 형성된다. 그 후, 응고 공정에 있어서는, 용융 알루미늄층이 응고되어 있으므로, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합할 수 있다.
또, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 7 양태의 파워 모듈용 기판은, Al2O3 으로 이루어지며, 표면을 갖는 세라믹스 기판과, 상기 세라믹스 기판의 상기 표면에 규소를 함유하는 납재를 개재하여 접합되는 순알루미늄으로 이루어지는 금속판과, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판이 접합되는 접합 계면에 형성되며, 상기 금속판 중의 규소 농도의 5 배 이상인 규소 농도를 갖는 고농도부를 포함한다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 기판과 순알루미늄으로 이루어지는 금속판이 규소를 함유하는 납재에 의해 접합되고, 이 접합 계면에, 상기 금속판 중의 규소 농도의 5 배 이상인 규소 농도를 갖는 고농도부가 형성되어 있다. 이로써, 접합 계면에 존재하는 규소 원자에 의해 Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 기판과 순알루미늄으로 이루어지는 금속판 사이의 접합 강도가 향상된다.
여기서, 금속판 중의 규소 농도란, 금속판 중 접합 계면으로부터 일정 거리 (예를 들어, 50 ㎚ 이상) 떨어진 부분에 있어서의 규소 농도이다.
금속판과 세라믹스 기판이 접합되는 접합 계면에 고농도로 존재하는 규소는, 주로 납재 중에 함유된 규소로 생각할 수 있다.
금속판과 세라믹스 기판을 접합할 때에, 규소는 알루미늄 (금속판) 중에 확산되고, 접합 계면으로부터 감소하는데, 세라믹스와 알루미늄 (금속판) 의 계면 부분이 불균일 핵 생성의 사이트가 되고, 규소 원자가 계면 부분에 잔존하여, 상기 금속판 중의 규소 농도의 5 배 이상인 규소 농도를 갖는 고농도부가 형성된다.
본 발명의 제 7 양태의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 고농도부를 포함하는 상기 접합 계면을 에너지 분산형 X 선 분석법에 의해 분석한 Al, Si, O 의 질량비는, Al : Si : O ＝ 40 ∼ 80 wt％ : 2 ∼ 10 wt％ : 50 wt％ 이하인 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 고농도부를 포함하는 접합 계면에 존재하는 규소의 질량비가 2 wt％ 이상이므로, 세라믹스 기판과 알루미늄 (금속판) 사이의 접합력을 확실하게 향상시킬 수 있다.
또한, 접합 계면에 있어서, 질량비가 10 wt％ 를 초과하도록 규소를 존재시키기는 곤란하다.
또, 에너지 분산형 X 선 분석법에 의해 분석할 때의 스폿 직경은 매우 작기 때문에, 상기 접합 계면의 복수점 (예를 들어, 10 ∼ 100 점) 이 측정되고, 상기 각 원소의 질량비 평균이 산출된다.
또, 측정할 때에는, 금속판의 결정립계와 세라믹스 기판 사이의 접합 계면을 측정하지 않고, 결정립과 세라믹스 기판 사이의 접합 계면만을 측정한다.
본 발명의 제 8 양태의 파워 모듈은, 상기 제 7 양태의 파워 모듈용 기판과, 상기 파워 모듈용 기판 상에 탑재되는 전자 부품을 포함한다.
이 구성의 파워 모듈에 의하면, 세라믹스 기판과 금속판 사이의 접합 강도가 높고, 열응력이 반복적으로 발생하는 등의 사용 환경에서도, 그 신뢰성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제 9 양태의 파워 모듈용 기판을 제조하는 방법은, Al2O3 으로 이루어지며, 표면을 갖는 세라믹스 기판과, 순알루미늄으로 이루어지는 금속판과, 규소를 함유하는 납재를 준비하고, 상기 세라믹스 기판 및 상기 금속판을, 납재를 개재하여 적층시키고, 상기 적층된 상기 세라믹스 기판, 상기 납재, 및 상기 금속판을 가압한 상태에서 가열하고, 상기 납재를 용융시켜 세라믹스 기판 및 금속판의 계면에 용융 알루미늄층을 형성 (용융 공정) 하고, 상기 용융 알루미늄층을 냉각시킴으로써 상기 용융 알루미늄층을 응고 (응고 공정) 시켜, 상기 용융 공정 및 상기 응고 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판이 접합된 접합 계면에, 상기 금속판 중의 규소 농도의 5 배 이상인 규소 농도를 갖는 고농도부를 생성시킨다.
이 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 상기 용융 공정 및 상기 응고 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판 사이의 접합 계면에, 상기 금속판 중의 규소 농도의 5 배 이상인 규소 농도를 갖는 고농도부를 생성시킨다.
이로써, 규소 원자에 의해 Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 기판과 순알루미늄으로 이루어지는 금속판 사이의 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다.
또, 상기 용융 공정에 있어서는, 납재가 계면에서 충분히 용융되어, 용융 알루미늄층이 형성된다. 그 후, 응고 공정에 있어서는, 용융 알루미늄층이 응고되어 있으므로, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합할 수 있다.
본 발명의 제 9 양태의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서는, 상기 세라믹스 기판 및 상기 금속판을 납재를 개재하여 적층시키기 전에, 상기 세라믹스 기판의 상기 표면에 규소를 미리 부착시키는 (규소 부착 공정) 것이 바람직하다.
본 발명의 제 9 양태의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서는, 상기 세라믹스 기판 및 상기 금속판을 납재를 개재하여 적층시키기 전에, 상기 금속판의 표면에 규소를 미리 부착시키는 것이 바람직하다.
이 경우, 규소 부착 공정에 있어서, 세라믹스 기판과 금속판 사이의 접합 계면에 규소 원소를 확실하게 존재시킬 수 있다.
이로써, 접합 계면에 상기 금속 중의 규소 농도의 5 배 이상인 규소 농도를 갖는 고농도부를 확실하게 생성시킬 수 있게 되고, Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 기판과 순알루미늄으로 이루어지는 금속판 사이의 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 규소 원자는 스퍼터링 또는 증착 등에 의해 세라믹스 기판의 접합면 (표면) 에 부착시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 금속판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합되어, 열사이클 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈 기판을 포함하는 파워 모듈 및 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 단면도이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층 (금속판) 과 세라믹스 기판 사이의 접합 계면을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 4 는 도 3 에 있어서의 금속판과 세라믹스 기판 사이의 접합 계면 근방을 나타내는 단면도이다.
도 5 는 비교 실험에 사용한 파워 모듈용 기판을 나타내는 단면도이다.
도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 단면도이다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층 (금속판) 과 세라믹스 기판 사이의 접합 계면을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 8 은 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 9 는 도 8 에 있어서의 금속판과 세라믹스 기판 사이의 접합 계면 근방을 나타내는 단면도이다.
도 10 은 비교 실험에 사용한 파워 모듈용 기판을 나타내는 단면도이다.
도 11 은 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 단면도이다.
도 12 는 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층 (금속판) 과 세라믹스 기판 사이의 접합 계면을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 13 은 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 14 는 도 13 에 있어서의 금속판과 세라믹스 기판 사이의 접합 계면 근방을 나타내는 단면도이다.
도 15 는 비교 실험에 사용한 파워 모듈용 기판을 나타내는 단면도이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하에, 본 발명의 실시형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.
(제 1 실시형태)
도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈을 나타낸다.
이 파워 모듈 (1) 은, 회로층 (12) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (10) 과, 회로층 (12) 의 표면에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 칩 (3) 과, 히트싱크 (4) 를 포함한다.
여기서, 땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재이다.
또한, 제 1 실시형태에서는, 회로층 (12) 과 땜납층 (2) 사이에 Ni 도금층 (도시 생략) 이 형성되어 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (12) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면 (도 1 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (13) 을 포함한다.
세라믹스 기판 (11) 은, 회로층 (12) 과 금속층 (13) 사이의 전기적 접속을 방지하는 기판으로서, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다.
또, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 제 1 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 도전성을 갖는 금속판 (22) 이 납땜됨으로써 형성되어 있다.
제 1 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판 (22) 이 세라믹스 기판 (11) 에 납땜됨으로써 형성되어 있다.
여기서, 제 1 실시형태에 있어서는, 융점 강하 원소로서 Si 를 함유한 Al-Si 계의 납재를 사용하고 있다.
금속층 (13) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면에 금속판 (23) 이 납땜됨으로써 형성되어 있다.
제 1 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 은, 회로층 (12) 과 동일하게, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판 (23) 이 세라믹스 기판 (11) 에 납땜됨으로써 형성되어 있다.
제 1 실시형태에 있어서는 Al-Si 계의 납재를 사용하고 있다.
히트싱크 (4) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (10) 을 냉각시키기 위한 부재로서, 파워 모듈용 기판 (10) 과 접합되는 천판부 (天板部 : 5) 와 냉각 매체 (예를 들어 냉각수) 를 유통시키기 위한 유로 (6) 를 포함한다.
히트싱크 (4 : 천판부 (5)) 는, 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 제 1 실시형태에 있어서는, A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
또, 제 1 실시형태에 있어서는, 히트싱크 (4) 의 천판부 (5) 와 금속층 (13) 사이에는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 알루미늄을 함유하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층 (15) 이 형성되어 있다.
그리고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12 : 금속판 (22)) 사이의 접합 계면 (30), 및 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13 : 금속판 (23)) 사이의 접합 계면 (30) 을 투과 전자 현미경에 의해 관찰한 경우에는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 접합 계면 (30) 에 규소 및 산소가 농축된 고농도부 (32) 가 형성되어 있다.
이 고농도부 (32) 에 있어서의 규소 농도는, 회로층 (12 : 금속판 (22)) 및 금속층 (13 : 금속판 (23)) 중의 규소 농도보다 5 배 이상 높다.
또한, 고농도부 (32) 에 있어서의 산소 농도는, 회로층 (12 : 금속판 (22)) 및 금속층 (13 : 금속판 (23)) 중의 산소 농도보다 높다.
또한, 이 고농도부 (32) 의 두께 (H) 는 4 ㎚ 이하이다.
여기서, 투과 전자 현미경에 의해 관찰되는 접합 계면 (30) 에 있어서, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (12 : 금속판 (22)) 및 금속층 (13 : 금속판 (23)) 의 격자상(像)의 계면측 단부 (端部) 와 세라믹스 기판 (11) 의 격자상의 계면측 단부 사이의 중앙을 기준면 (S) 으로 정의한다.
또, 이 접합 계면 (30) 을 에너지 분산형 X 선 분석법 (EDS) 에 의해 분석하였을 때의 Al, Si, O, N 의 질량비는, Al : Si : O : N ＝ 40 ∼ 80 wt％ : 2 ∼ 10 wt％ : 20 wt％ 이하 : 10 ∼ 40 wt％ 의 범위 내로 설정되어 있다.
또한, EDS 에 의해 분석할 때의 스폿 직경은 1 ∼ 4 ㎚ 이며, 접합 계면 (30) 에 있어서의 복수점 (예를 들어, 제 1 실시형태에서는 20 점) 이 측정되고, 상기 각 원소의 질량비 평균이 산출된다.
또, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 을 구성하는 금속판 (22, 23) 의 결정립계와 세라믹스 기판 (11) 사이의 접합 계면 (30) 을 측정하지 않고, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 을 구성하는 금속판 (22, 23) 의 결정립과 세라믹스 기판 (11) 사이의 접합 계면 (30) 만을 측정한다.
이러한 파워 모듈용 기판 (10) 은, 이하와 같이 하여 제조된다.
도 3(a) 및 도 4(a) 에 나타내는 바와 같이, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (11) 과, 후술하는 용융 공정 및 응고 공정에 의해 회로층 (12) 이 되는 금속판 (22 : 4 N 알루미늄의 압연판) 과, 두께 15 ∼ 30 ㎛ (제 1 실시형태에서는 20 ㎛) 의 납재박 (24) 과, 후술하는 용융 공정 및 응고 공정에 의해 금속층 (13) 이 되는 금속판 (23 : 4 N 알루미늄의 압연판) 과, 두께 15 ∼ 30 ㎛ (제 1 실시형태에서는 20 ㎛) 의 납재박 (25) 을 준비한다.
다음으로, 도 3(b) 및 도 4(b) 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 금속판 (22) 이 납재박 (24) 을 개재하여 적층되고, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면에 금속판 (23) 이 납재박 (25) 를 개재하여 적층된다. 이로써 적층체 (20) 가 형성된다.
다음으로, 도 3(c) 및 도 4(c) 에 나타내는 바와 같이, 이 적층체 (20) 를 그 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 3 kgf/㎠) 한 상태에서 진공로 내에 장입하고 가열하여, 납재박 (24, 25) 을 용융한다 (용융 공정).
여기서 진공로 내의 진공도는, 10-3 Pa ∼ 10-5 Pa 이다.
이 용융 공정에 의해, 도 4(c) 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 되는 금속판 (22, 23) 의 일부와 납재박 (24, 25) 이 용융되어, 세라믹스 기판 (11) 의 표면에 용융 알루미늄층 (26, 27) 이 형성된다.
다음으로, 적층체 (20) 를 냉각시킴으로써 용융 알루미늄층 (26, 27) 을 응고시킨다 (응고 공정).
이 용융 공정과 응고 공정에 의해, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 되는 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 사이의 접합 계면 (30) 에, 규소 및 산소가 농축된 고농도부 (32) 가 형성된다.
이와 같이 하여 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 이 제조된다.
이상의 구성을 갖는 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 및 파워 모듈 (1) 에 있어서는, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 되는 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 이 납땜에 의해 접합되어 있다. 금속판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 사이의 접합 계면 (30), 및 금속판 (23) 과 세라믹스 기판 (11) 사이의 접합 계면 (30) 에, 고농도부 (32) 가 형성되어 있다. 고농도부 (32) 의 규소 농도는, 회로층 (12 : 금속판 (22)) 및 금속층 (13 : 금속판 (23)) 중의 규소 농도의 5 배 이상이며, 또한 고농도부 (32) 의 산소 농도는, 회로층 (12 : 금속판 (22)) 및 금속층 (13 : 금속판 (23)) 중의 산소 농도보다 높다. 이로써, 접합 계면 (30) 에 존재하는 규소 및 산소에 의해 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 사이의 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다.
또, 고농도부 (32) 를 포함하는 접합 계면 (30) 을 에너지 분산형 X 선 분석법에 의해 분석하였을 때의 Al, Si, O, N 의 질량비는, Al : Si : O : N ＝ 40 ∼ 80 wt％ : 2 ∼ 10 wt％ : 20 wt％ 이하 : 10 ∼ 40 wt％ 이다. 또, 고농도부 (32) 를 포함하는 접합 계면 (30) 에 존재하는 규소의 질량비는 2 wt％ 이상이다. 이로써, 세라믹스 기판과 알루미늄 (금속판) 사이의 접합력을 확실하게 향상시킬 수 있다.
또한, 접합 계면 (30) 에 규소를, 질량비가 10 wt％ 를 초과하도록 존재시키기는 곤란하다.
또, 고농도부 (32) 를 포함하는 접합 계면 (30) 에 존재하는 산소 원자의 질량비가 20 wt％ 이하이므로, 열사이클을 부하하였을 때에 고농도부 (32) 에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 을 접합할 때에, Al-Si 계의 납재를 사용하고 있으므로, 접합 온도를 비교적 낮게 설정해도, 납재박 (24, 25) 을 확실하게 용융시켜 용융 알루미늄층 (26, 27) 을 형성할 수 있다.
이상, 본 발명의 제 1 실시형태에 대하여 설명하였는데, 본 발명은 이것에 한정되지는 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경할 수 있다.
제 1 실시형태에 있어서는, 회로층 및 금속층을 구성하는 금속판으로서 순도 99.99 ％ 의 순알루미늄의 압연판을 채용한 경우를 설명하였는데, 이것에 한정되지는 않고, 순도 99 ％ 의 알루미늄 (2 N 알루미늄) 을 사용해도 된다.
또, 접합 계면에 규소 원자를 확실하게 점재 (点在) 시키기 위하여, 금속판과 세라믹스 기판을 접합하기 전에, 세라믹스 기판의 표면에 규소 원자를 부착시켜도 된다 (규소 부착 공정).
또한 제 1 실시형태에 있어서는, 히트싱크의 천판부와 금속층 사이에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 알루미늄을 함유하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층을 형성한 경우를 설명하였는데, 이 완충층은 형성하지 않아도 된다.
또, 히트싱크가 알루미늄으로 구성된 구조를 설명하였는데, 알루미늄 합금, 구리, 또는 구리 합금으로 히트싱크가 구성된 구조를 채용해도 된다.
또한, 히트싱크로서, 냉각 매체의 유로를 갖는 구조를 설명하였는데, 히트싱크의 구조는 한정되지 않는다.
(제 2 실시형태)
도 6 은, 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈을 나타낸다.
이 파워 모듈 (101) 은, 회로층 (112) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (110) 과, 회로층 (112) 의 표면에 땜납층 (102) 을 개재하여 접합된 반도체 칩 (103) 과, 히트싱크 (104) 를 포함한다.
여기서, 땜납층 (102) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재이다.
또한, 제 2 실시형태에서는, 회로층 (112) 과 땜납층 (102) 사이에 Ni 도금층 (도시 생략) 이 형성되어 있다.
파워 모듈용 기판 (110) 은, 세라믹스 기판 (111) 과, 이 세라믹스 기판 (111) 의 제 1 면 (도 6 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (112) 과, 세라믹스 기판 (111) 의 제 2 면 (도 6 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (113) 을 포함한다.
세라믹스 기판 (111) 은, 회로층 (112) 과 금속층 (113) 사이의 전기적 접속을 방지하는 기판으로서, 절연성이 높은 Si3N4 (질화규소) 로 구성되어 있다.
또, 세라믹스 기판 (111) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 제 2 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (112) 은, 세라믹스 기판 (111) 의 제 1 면에 도전성을 갖는 금속판 (122) 이 납땜됨으로써 형성되어 있다.
제 2 실시형태에 있어서는, 회로층 (112) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판 (122) 이 세라믹스 기판 (111) 에 납땜됨으로써 형성되어 있다.
여기서, 제 2 실시형태에 있어서는, 융점 강하 원소로서 Si 를 함유한 Al-Si 계의 납재를 사용하고 있다.
금속층 (113) 은, 세라믹스 기판 (111) 의 제 2 면에 금속판 (123) 이 납땜됨으로써 형성되어 있다.
제 2 실시형태에 있어서는, 금속층 (113) 은, 회로층 (112) 과 동일하게, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판 (123) 이 세라믹스 기판 (111) 에 납땜됨으로써 형성되어 있다.
제 2 실시형태에 있어서는 Al-Si 계의 납재를 사용하고 있다.
히트싱크 (104) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (110) 을 냉각시키기 위한 부재로서, 파워 모듈용 기판 (110) 과 접합되는 천판부 (105) 와 냉각 매체 (예를 들어 냉각수) 를 유통시키기 위한 유로 (106) 를 포함한다.
히트싱크 (104 : 천판부 (105)) 는, 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 제 2 실시형태에 있어서는, A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
또, 제 2 실시형태에 있어서는, 히트싱크 (104) 의 천판부 (105) 와 금속층 (113) 사이에는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 알루미늄을 함유하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층 (115) 이 형성되어 있다.
그리고, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112 : 금속판 (122)) 사이의 접합 계면 (130), 및 세라믹스 기판 (111) 과 금속층 (113 : 금속판 (123)) 사이의 접합 계면 (130) 을 투과 전자 현미경에 의해 관찰한 경우에는, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 접합 계면 (130) 에 산소가 농축된 고농도부 (132) 가 형성되어 있다.
이 고농도부 (132) 에 있어서의 산소 농도는, 회로층 (112 : 금속판 (122)) 및 금속층 (113 : 금속판 (123)) 중의 산소 농도보다 높다.
또한, 이 고농도부 (132) 의 두께 (H) 는 4 ㎚ 이하이다.
여기서, 투과 전자 현미경에 의해 관찰되는 접합 계면 (130) 에 있어서, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (112 : 금속판 (122)) 및 금속층 (113 : 금속판 (123)) 의 격자상의 계면측 단부와 세라믹스 기판 (111) 의 격자상의 계면측 단부 사이의 중앙을 기준면 (S) 으로 정의한다.
또, 이 접합 계면 (130) 을 에너지 분산형 X 선 분석법 (EDS) 에 의해 분석하였을 때의 Al, Si, O, N 의 질량비는, Al : Si : O : N ＝ 15 ∼ 50 wt％ : 25 ∼ 50 wt％ : 20 wt％ 이하 : 10 ∼ 40 wt％ 의 범위 내로 설정되어 있다.
또한, EDS 에 의해 분석할 때의 스폿 직경은 1 ∼ 4 ㎚ 이며, 접합 계면 (130) 에 있어서의 복수점 (예를 들어, 제 2 실시형태에서는 100 점) 이 측정되고, 상기 각 원소의 질량비 평균이 산출된다.
또, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 을 구성하는 금속판 (122, 123) 의 결정립계와 세라믹스 기판 (111) 사이의 접합 계면 (130) 을 측정하지 않고, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 을 구성하는 금속판 (122, 123) 의 결정립과 세라믹스 기판 (111) 사이의 접합 계면 (130) 만을 측정한다.
이러한 파워 모듈용 기판 (110) 은, 이하와 같이 하여 제조된다.
도 8(a) 및 도 9(a) 에 나타내는 바와 같이, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (111) 과, 후술하는 용융 공정 및 응고 공정에 의해 회로층 (112) 이 되는 금속판 (122 : 4 N 알루미늄의 압연판) 과, 두께 15 ∼ 30 ㎛ (제 2 실시형태에서는 20 ㎛) 의 납재박 (124) 과, 후술하는 용융 공정 및 응고 공정에 의해 금속층 (113) 이 되는 금속판 (123 : 4 N 알루미늄의 압연판) 과, 두께 15 ∼ 30 ㎛ (제 2 실시형태에서는 20 ㎛) 의 납재박 (125) 을 준비한다.
다음으로, 도 8(b) 및 도 9(b) 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 의 제 1 면에 금속판 (122) 이 납재박 (124) 을 개재하여 적층되고, 세라믹스 기판 (111) 의 제 2 면에 금속판 (123) 이 납재박 (125) 을 개재하여 적층된다. 이로써 적층체 (120) 가 형성된다.
다음으로, 도 8(c) 및 도 9(c) 에 나타내는 바와 같이, 이 적층체 (120) 를 그 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 3 kgf/㎠) 한 상태에서 진공로 내에 장입하고 가열하여, 납재박 (124, 125) 을 용융한다 (용융 공정).
여기서 진공로 내의 진공도는, 10-3 Pa ∼ 10-5 Pa 이다.
이 용융 공정에 의해, 도 9(c) 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 이 되는 금속판 (122, 123) 의 일부와 납재박 (124, 125) 이 용융되어, 세라믹스 기판 (111) 의 표면에 용융 알루미늄층 (126, 127) 이 형성된다.
다음으로, 적층체 (120) 를 냉각시킴으로써 용융 알루미늄층 (126, 127) 을 응고시킨다 (응고 공정).
이 용융 공정과 응고 공정에 의해, 접합 계면 (130) 에, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 을 구성하는 금속판 (122, 123) 중의 산소 농도보다 높은 산소 농도를 갖는 고농도부 (132) 가 생성된다.
또한, 이 고농도부 (132) 의 두께 (H) 는 4 ㎚ 이하이다.
이와 같이 하여 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 이 제조된다.
이상의 구성을 갖는 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 및 파워 모듈 (101) 에 있어서는, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 이 되는 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 이 납땜에 의해 접합되어 있다. 금속판 (122) 과 세라믹스 기판 (111) 사이의 접합 계면 (130), 및 금속판 (123) 과 세라믹스 기판 (111) 사이의 접합 계면 (130) 에 고농도부 (132) 가 생성되어 있다. 고농도부 (132) 의 산소 농도는, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 을 구성하는 금속판 (122, 123) 중의 산소 농도보다 높다. 이로써, 이 산소에 의해 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122, 123) 사이의 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다.
또, 이 고농도부 (132) 의 두께가 4 ㎚ 이하이므로, 열사이클을 부하하였을 때의 응력에 의해 고농도부 (132) 에 크랙이 발생하는 것이 억제된다.
또, 고농도부 (132) 를 포함하는 접합 계면 (130) 을 에너지 분산형 X 선 분석법에 의해 분석한 Al, Si, O, N 의 질량비는, Al : Si : O : N ＝ 15 ∼ 50 wt％ : 25 ∼ 50 wt％ : 20 wt％ 이하 : 10 ∼ 40 wt％ 이다. 이로써, 열사이클을 부하하였을 때에 고농도부 (132) 에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또, 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 을 접합할 때에, 융점 강하 원소로서 Si 를 함유한 Al-Si 계의 납재를 사용하고 있으므로, 접합 온도를 비교적 낮게 설정해도, 납재박 (124, 125) 을 확실하게 용융시켜 용융 알루미늄층 (126, 127) 을 형성할 수 있다.
이상, 본 발명의 제 2 실시형태에 대하여 설명하였는데, 본 발명은 이것에 한정되지는 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경할 수 있다.
예를 들어, 납재로서 Al-Si 계로 이루어지는 납재를 사용하는 경우를 설명하였는데, 이것에 한정되지는 않고, Al-Ge 계, Al-Cu 계, Al-Mg 계 등의 다른 융점 강하 원소를 갖는 납재를 사용해도 된다.
또, 제 2 실시형태에 있어서는, 히트싱크의 천판부와 금속층 사이에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 알루미늄을 함유하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층을 형성한 경우를 설명하였는데, 이 완충층은 형성하지 않아도 된다.
또한 제 2 실시형태에 있어서는, 회로층 및 금속층을 구성하는 금속판으로서, 회로층 및 금속층을 구성하는 금속판을 순도 99.99 ％ 의 순알루미늄의 압연판을 채용한 경우를 설명하였는데, 이것에 한정되지는 않고, 순도 99 ％ 의 알루미늄 (2 N 알루미늄) 을 사용해도 된다.
또, 히트싱크가 알루미늄으로 구성된 구조를 설명하였는데, 알루미늄 합금, 구리, 또는 구리 합금으로 히트싱크가 구성된 구조를 채용해도 된다.
또한 히트싱크로서, 냉각 매체의 유로를 갖는 구조를 설명하였는데, 히트싱크의 구조는 한정되지 않는다.
(제 3 실시형태)
도 11 에 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈을 나타낸다.
이 파워 모듈 (201) 은, 회로층 (212) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (210) 과, 회로층 (212) 의 표면에 땜납층 (202) 을 개재하여 접합된 반도체 칩 (203) 과, 히트싱크 (204) 를 포함한다.
여기서, 땜납층 (202) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재이다.
또한, 제 3 실시형태에서는, 회로층 (212) 과 땜납층 (202) 사이에 Ni 도금층 (도시 생략) 이 형성되어 있다.
파워 모듈용 기판 (210) 은, 세라믹스 기판 (211) 과, 이 세라믹스 기판 (211) 의 제 1 면 (도 11 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (212) 과, 세라믹스 기판 (211) 의 제 2 면 (도 11 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (213) 을 포함한다.
세라믹스 기판 (211) 은, 회로층 (212) 과 금속층 (213) 사이의 전기적 접속을 방지하는 기판으로서, 절연성이 높은 Al2O3 (알루미나) 으로 구성되어 있다.
또, 세라믹스 기판 (211) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 제 3 실시형태에서는, 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (212) 은, 세라믹스 기판 (211) 의 제 1 면에 도전성을 갖는 금속판 (222) 이 납땜됨으로써 형성되어 있다.
제 3 실시형태에 있어서는, 회로층 (212) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판 (222) 이 세라믹스 기판 (211) 에 납땜됨으로써 형성되어 있다.
여기서, 제 3 실시형태에 있어서는, 융점 강하 원소로서 Si 를 함유한 Al-Si 계의 납재를 사용하고 있다.
금속층 (213) 은, 세라믹스 기판 (211) 의 제 2 면에 금속판 (223) 이 납땜됨으로써 형성되어 있다.
제 3 실시형태에 있어서는, 금속층 (213) 은, 회로층 (212) 과 동일하게, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판 (223) 이 세라믹스 기판 (211) 에 납땜됨으로써 형성되어 있다.
제 3 실시형태에 있어서는 Al-Si 계의 납재를 사용하고 있다.
히트싱크 (204) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (210) 을 냉각시키기 위한 부재로서, 파워 모듈용 기판 (210) 과 접합되는 천판부 (205) 와 냉각 매체 (예를 들어 냉각수) 를 유통시키기 위한 유로 (206) 를 포함한다.
히트싱크 (204 : 천판부 (205)) 는, 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 제 3 실시형태에 있어서는, A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
또, 제 3 실시형태에 있어서는, 히트싱크 (204) 의 천판부 (205) 와 금속층 (213) 사이에는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 알루미늄을 함유하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층 (215) 이 형성되어 있다.
그리고, 세라믹스 기판 (211) 과 회로층 (212 : 금속판 (222)) 사이의 접합 계면 (230), 및 세라믹스 기판 (211) 과 금속층 (213 : 금속판 (223)) 사이의 접합 계면 (230) 을 투과 전자 현미경에 의해 관찰한 경우에는, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 접합 계면 (230) 에 규소가 농축된 고농도부 (232) 가 형성되어 있다.
이 고농도부 (232) 에 있어서의 규소 농도는, 회로층 (212 : 금속판 (222)) 및 금속층 (213 : 금속판 (223)) 중의 규소 농도보다 5 배 이상 높다.
또한, 이 고농도부 (232) 의 두께 (H) 는 4 ㎚ 이하이다.
여기서, 투과 전자 현미경에 의해 관찰되는 접합 계면 (230) 에 있어서, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (212 : 금속판 (222)) 및 금속층 (213 : 금속판 (223)) 의 격자상의 계면측 단부와 세라믹스 기판 (211) 의 격자상의 계면측 단부 사이의 중앙을 기준면 (S) 으로 정의한다.
또, 이 접합 계면 (230) 을 에너지 분산형 X 선 분석법 (EDS) 에 의해 분석하였을 때의 Al, Si, O 의 질량비는, Al : Si : O ＝ 40 ∼ 80 wt％ : 2 ∼ 10 wt％ : 50 wt％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
또한, EDS 에 의해 분석할 때의 스폿 직경은 1 ∼ 4 ㎚ 이며, 접합 계면 (230) 에 있어서의 복수점 (예를 들어, 제 3 실시형태에서는 20 점) 이 측정되고, 상기 각 원소의 질량비 평균이 산출된다.
또, 회로층 (212) 및 금속층 (213) 을 구성하는 금속판 (222, 223) 의 결정립계와 세라믹스 기판 (211) 사이의 접합 계면 (230) 을 측정하지 않고, 회로층 (212) 및 금속층 (213) 을 구성하는 금속판 (222, 223) 의 결정립과 세라믹스 기판 (211) 사이의 접합 계면 (230) 만을 측정한다.
이러한 파워 모듈용 기판 (210) 은, 이하와 같이 하여 제조된다.
도 13(a) 및 도 14(a) 에 나타내는 바와 같이, Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (211) 과, 후술하는 용융 공정 및 응고 공정에 의해 회로층 (212) 이 되는 금속판 (222 : 4 N 알루미늄의 압연판) 과, 두께 15 ∼ 30 ㎛ (제 3 실시형태에서는 20 ㎛) 의 납재박 (224) 과, 후술하는 용융 공정 및 응고 공정에 의해 금속층 (213) 이 되는 금속판 (223 : 4 N 알루미늄의 압연판) 과, 두께 15 ∼ 30 ㎛ (제 3 실시형태에서는 20 ㎛) 의 납재박 (225) 을 준비한다.
다음으로, 도 13(b) 및 도 14(b) 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (211) 의 제 1 면에 금속판 (222) 이 납재박 (224) 을 개재하여 적층되고, 세라믹스 기판 (211) 의 제 2 면에 금속판 (223) 이 납재박 (225) 을 개재하여 적층된다. 이로써 적층체 (220) 가 형성된다.
다음으로, 도 13(c) 및 도 14(c) 에 나타내는 바와 같이, 이 적층체 (220) 를 그 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 3 kgf/㎠) 한 상태에서 진공로 내에 장입하고 가열하여, 납재박 (224, 225) 을 용융한다 (용융 공정).
여기서 진공로 내의 진공도는, 10-3 Pa ∼ 10-5 Pa 이다.
이 용융 공정에 의해, 도 14(c) 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (212) 및 금속층 (213) 이 되는 금속판 (222, 223) 의 일부와 납재박 (224, 225) 이 용융되어, 세라믹스 기판 (211) 의 표면에 용융 알루미늄층 (226, 227) 이 형성된다.
다음으로, 적층체 (220) 를 냉각시킴으로써 용융 알루미늄층 (226, 227) 을 응고시킨다 (응고 공정).
이 용융 공정과 응고 공정에 의해, 회로층 (212) 및 금속층 (213) 이 되는 금속판 (222, 223) 과 세라믹스 기판 (211) 사이의 접합 계면 (230) 에 규소가 농축된 고농도부 (232) 가 형성된다.
이와 같이 하여 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 이 제조된다.
이상의 구성을 갖는 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 및 파워 모듈 (201) 에 있어서는, 회로층 (212) 및 금속층 (213) 이 되는 금속판 (222, 223) 과 세라믹스 기판 (211) 이 납땜에 의해 접합되어 있다. 금속판 (222) 과 세라믹스 기판 (211) 사이의 접합 계면 (230), 및 금속판 (223) 과 세라믹스 기판 (211) 사이의 접합 계면 (230) 에 고농도부 (232) 가 형성되어 있다. 고농도부 (232) 의 규소 농도는, 회로층 (212 : 금속판 (222)) 및 금속층 (213 : 금속판 (223)) 중의 규소 농도의 5 배 이상이다. 이로써, 접합 계면 (230) 에 존재하는 규소에 의해 세라믹스 기판 (211) 과 금속판 (222, 223) 사이의 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다.
또, 접합 계면 (230) 을 에너지 분산형 X 선 분석법에 의해 분석한 Al : Si : O ＝ 40 ∼ 80 wt％ : 2 ∼ 10 wt％ : 50 wt％ 이하로 하고 있다. 즉, 접합 계면 (230) 에 존재하는 규소 원자 (231) 의 질량비가 10 wt％ 이하이다. 또, 고농도부 (232) 를 포함하는 접합 계면 (230) 에 존재하는 규소의 질량비가 2 wt％ 이상이다. 이로써, 세라믹스 기판과 알루미늄 (금속판) 사이의 접합력을 확실하게 향상시킬 수 있다.
또한, 접합 계면 (230) 에 규소를, 질량비가 10 wt％ 를 초과하도록 존재시키기는 곤란하다.
또, 금속판 (222, 223) 과 세라믹스 기판 (211) 을 접합할 때에, Al-Si 계의 납재를 사용하고 있으므로, 접합 온도를 비교적 낮게 설정해도, 납재박 (224, 225) 을 확실하게 용융시켜 용융 알루미늄층 (226, 227) 을 형성할 수 있다.
이상, 본 발명의 제 3 실시형태에 대하여 설명하였는데, 본 발명은 이것에 한정되지는 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경할 수 있다.
제 3 실시형태에 있어서는, 회로층 및 금속층을 구성하는 금속판으로서 순도 99.99 ％ 의 순알루미늄의 압연판을 채용한 경우를 설명하였는데, 이것에 한정되지는 않고, 순도 99 ％ 의 알루미늄 (2 N 알루미늄) 을 사용해도 된다.
또, 제 3 실시형태에 있어서는, 히트싱크의 천판부와 금속층 사이에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 알루미늄을 함유하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층을 형성한 경우를 설명하였는데, 이 완충층은 형성하지 않아도 된다.
또, 접합 계면에 규소 원자를 확실하게 점재시키기 위하여, 금속판과 세라믹스 기판을 접합하기 전에, 세라믹스 기판의 표면 혹은 금속판의 표면에 규소 원자를 부착시켜도 된다 (규소 부착 공정).
또, 히트싱크가 알루미늄으로 구성된 구조를 설명하였는데, 알루미늄 합금, 구리, 또는 구리 합금으로 히트싱크가 구성된 구조를 채용해도 된다.
또한, 히트싱크로서, 냉각 매체의 유로를 갖는 구조를 설명하였는데, 히트싱크의 구조는 한정되지 않는다.
실시예
(제 1 실시예)
본 발명의 유효성을 확인하기 위하여 실시한 비교 실험에 대하여 설명한다.
이하에 설명하는 제 1 실시예는, 상기 제 1 실시형태에 대응하고 있다.
도 5 에 나타내는 바와 같이, 비교예 1 ∼ 3 및 실시예 1 ∼ 3 에 있어서는, 공통의 파워 모듈용 기판의 시험편을 사용하여 실험을 실시하고 있다. 구체적으로, 이 파워 모듈용 기판은, 두께 0.635 ㎜ 의 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (11) 과, 두께 0.6 ㎜ 의 4 N 알루미늄으로 이루어지는 회로층 (12) 과, 두께 0.6 ㎜ 의 4 N 알루미늄으로 이루어지는 금속층 (13) 과, 두께 5 ㎜ 의 알루미늄 합금 (A6063) 으로 이루어지는 천판부 (5) 와, 두께 1.0 ㎜ 의 4 N 알루미늄으로 이루어지는 완충층 (15) 을 갖고 있다.
이 시험편을 사용하여 접합 계면의 관찰 및 접합 강도를 평가하였다.
이 접합 계면을 관찰할 때에, 전계 방사형 투과 전자 현미경 (FE-TEM) 으로서 닛폰 전자 주식회사 제조 JEM-2010F 를 사용하였다. 가속 전압을 200 ㎸ 로 설정하고, 접합 계면을 관찰하였다.
관찰 시료는 다음과 같이 하여 제조하였다.
먼저, 금속판과 세라믹스 기판이 접합된 시료를 준비하고, 이 시료를 다이아몬드 컷터로 슬라이스하고, 두께가 약 30 ㎛ 정도가 되도록 다이아몬드 지석에 의해 기계 연마하였다.
그 후, 아르곤 이온 (5 ㎸, 30 μA) 에 의해 이온 밀링하여, 전자선이 투과 가능한 두께인 0.1 ㎛ 이하의 부분을 갖는 관찰 시료를 제조하였다.
접합 계면의 관찰에 있어서는, 접합 계면에 형성된 고농도부의 두께를 20 점 측정하고, 그 평균값을 산출하였다.
고농도부의 평균 두께 측정 결과를 표 1 에 나타낸다.
또, 에너지 분산형 X 선 분석 장치 (EDS) 로서 노란사 제조 Voyager 를 사용하여, 금속판과 세라믹스 기판 사이의 접합 계면을 분석하였다. 분석 결과를 표 1 에 나타낸다.
여기서, 금속판 중 접합 계면으로부터 50 ㎚ 떨어진 위치를 동일하게 분석한 결과, 규소 농도 (금속판 중의 규소 농도) 는 0.2 ∼ 0.3 wt％ 였다.
또한, 전술한 TEM 관찰 및 EDS 분석에는, 2 축 경사 분석용 홀더를 사용하였다.
접합 강도의 평가로는, 열사이클 (-45 ℃ 로부터 125 ℃) 을 3000 회 반복한 후의 접합률을 비교하였다. 평가 결과를 표 1 에 나타낸다.
Figure pct00001
접합 계면에 규소가 고농도로 존재하지 않는 비교예 1 ∼ 3 에 있어서는, 열사이클 시험 후의 접합률이 낮아, 열사이클 신뢰성이 열등한 것이 확인되었다.
한편, 접합 계면에, 규소가 금속판 중의 5 배 이상의 농도로 존재하고 있는 실시예 1 ∼ 3 에 있어서는, 3000 사이클 후에 있어서도 접합률이 90 ％ 이상으로, 열사이클 신뢰성이 향상되는 것이 확인되었다.
또한, 실시예 3 에 있어서 고농도부의 두께가 0.0 ㎚ 인데, 투과형 전자 현미경 관찰에 있어서의 20 점의 측정값 모두가 0.0 ㎚ 였다.
또한, 이와 같이 고농도부가 명확하게 관찰되지 않아도, 접합 계면을 EDS 분석한 결과, 규소 농도가 5.5 wt％ 로 금속판 중의 규소 농도 (0.2 ∼ 0.3 wt％) 의 5 배 이상으로, 고농도부가 존재하고 있음은 분명하다.
(제 2 실시예)
본 발명의 유효성을 확인하기 위하여 실시한 비교 실험에 대하여 설명한다.
이하에 설명하는 제 2 실시예는, 상기 제 2 실시형태에 대응하고 있다.
도 10 에 나타내는 바와 같이, 비교예 4 ∼ 6 및 실시예 4 ∼ 6 에 있어서는, 공통의 파워 모듈용 기판의 시험편을 사용하여 실험하고 있다. 구체적으로, 이 파워 모듈용 기판은, 두께 0.635 ㎜ 의 Si3N4 로 이루어지는 세라믹스 기판 (111) 과, 두께 0.6 ㎜ 의 4 N 알루미늄으로 이루어지는 회로층 (112) 과, 두께 0.6 ㎜ 의 4 N 알루미늄으로 이루어지는 금속층 (113) 과, 두께 5 ㎜ 의 알루미늄 합금 (A6063) 으로 이루어지는 천판부 (105) 와, 두께 1.0 ㎜ 의 4 N 알루미늄으로 이루어지는 완충층 (115) 을 갖고 있다.
이 시험편을 사용하여 접합 계면의 관찰 및 접합 강도를 평가하였다.
이 접합 계면을 관찰할 때에, 전계 방사형 투과 전자 현미경 (FE-TEM) 으로서 닛폰 전자 주식회사 제조 JEM-2010F 를 사용하였다. 가속 전압을 200 ㎸ 로 설정하고, 접합 계면을 관찰하였다.
관찰 시료는 다음과 같이 하여 제조하였다.
먼저, 금속판과 세라믹스 기판이 접합된 시료를 준비하고, 이 시료를 다이아몬드 컷터로 슬라이스하고, 두께가 약 30 ㎛ 정도가 되도록 다이아몬드 지석에 의해 기계 연마하였다.
그 후, 아르곤 이온 (5 ㎸, 30 μA) 에 의해 이온 밀링하여, 전자선이 투과 가능한 두께인 0.1 ㎛ 이하의 부분을 갖는 관찰 시료를 제조하였다.
접합 계면의 관찰에 있어서는, 접합 계면에 형성된 고농도부의 두께를 20 점 측정하고, 그 평균값을 산출하였다.
고농도부의 평균 두께 측정 결과를 표 2 에 나타낸다.
또, 에너지 분산형 X 선 분석 장치 (EDS) 로서 노란사 제조 Voyager 를 사용하여, 금속판과 세라믹스 기판 사이의 접합 계면을 분석하였다. 분석 결과를 표 2 에 나타낸다.
또한, 전술한 TEM 관찰 및 EDS 분석에는, 2 축 경사 분석용 홀더를 사용하였다.
접합 강도의 평가로는, 열사이클 (-45 ℃ 로부터 125 ℃) 을 3000 회 반복한 후의 접합률을 비교하였다. 평가 결과를 표 2 에 나타낸다.
Figure pct00002
접합 계면에 산소가 농축된 고농도부가 4 ㎚ 보다 두껍게 형성된 비교예 4 ∼ 6 에 있어서는, 열사이클 시험 후의 접합률이 낮아, 열사이클 신뢰성이 열등한 것이 확인되었다.
한편, 접합 계면에, 산소가 농축된 고농도부가 형성되고, 그 두께가 4 ㎚ 이하인 실시예 4 ∼ 6 에 있어서는, 3000 사이클 후에도 접합률이 90 ％ 이상으로, 열사이클 신뢰성이 향상되는 것이 확인되었다.
(제 3 실시예)
본 발명의 유효성을 확인하기 위하여 실시한 비교 실험에 대하여 설명한다.
이하에 설명하는 제 3 실시예는, 상기 제 3 실시형태에 대응하고 있다.
도 15 에 나타내는 바와 같이, 비교예 7 ∼ 9 및 실시예 7 ∼ 9 에 있어서는, 공통의 파워 모듈용 기판의 시험편을 사용하여 실험하고 있다. 구체적으로, 이 파워 모듈용 기판은, 두께 0.635 ㎜ 의 Al2O3 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (211) 과, 두께 0.6 ㎜ 의 4 N 알루미늄으로 이루어지는 회로층 (212) 과, 두께 0.6 ㎜ 의 4 N 알루미늄으로 이루어지는 금속층 (213) 과, 두께 5 ㎜ 의 알루미늄 합금 (A6063) 으로 이루어지는 천판부 (205) 와, 두께 1.0 ㎜ 의 4 N 알루미늄으로 이루어지는 완충층 (215) 을 공통적으로 갖고 있다.
이 시험편을 사용하여 접합 계면의 관찰 및 접합 강도를 평가하였다.
이 접합 계면을 관찰할 때에, 전계 방사형 투과 전자 현미경 (FE-TEM) 으로서 닛폰 전자 주식회사 제조 JEM-2010F 를 사용하였다. 가속 전압을 200 ㎸ 로 설정하고, 접합 계면을 관찰하였다.
관찰 시료는 다음과 같이 하여 제조하였다.
먼저, 금속판과 세라믹스 기판이 접합된 시료를 준비하고, 이 시료를 다이아몬드 컷터로 슬라이스하고, 두께가 약 30 ㎛ 정도가 되도록 다이아몬드 지석에 의해 기계 연마하였다.
그 후, 아르곤 이온 (5 ㎸, 30 μA) 에 의해 이온 밀링하여, 전자선이 투과 가능한 두께인 0.1 ㎛ 이하의 부분을 갖는 관찰 시료를 제조하였다.
접합 계면의 관찰에 있어서는, 접합 계면에 형성된 고농도부의 두께를 20 점 측정하고, 그 평균값을 산출하였다.
고농도부의 평균 두께 측정 결과를 표 3 에 나타낸다.
또, 에너지 분산형 X 선 분석 장치 (EDS) 로서 노란사 제조 Voyager 를 사용하여, 금속판과 세라믹스 기판 사이의 접합 계면을 분석하였다. 분석 결과를 표 3 에 나타낸다.
여기서, 금속판 중 접합 계면으로부터 50 ㎚ 떨어진 위치를 동일하게 분석한 결과, 규소 농도 (금속판 중의 규소 농도) 는, 0.2 ∼ 0.3 wt％ 였다.
또한, 전술한 TEM 관찰 및 EDS 분석에는, 2 축 경사 분석용 홀더를 사용하였다.
접합 강도의 평가로는, 열사이클 (-45 ℃ 로부터 125 ℃) 을 3000 회 반복한 후의 접합률을 비교하였다. 평가 결과를 표 3 에 나타낸다.
Figure pct00003
접합 계면에 규소가 고농도로 존재하지 않는 비교예 7 ∼ 9 에 있어서는, 열사이클 시험 후의 접합률이 낮아, 열사이클 신뢰성이 열등한 것이 확인되었다.
한편, 접합 계면에, 규소가 금속판 중의 5 배 이상의 농도로 존재하고 있는 실시예 7 ∼ 9 에 있어서는, 3000 사이클 후에 있어서도 접합률이 90 ％ 이상으로, 열사이클 신뢰성이 향상되는 것이 확인되었다.
또한, 실시예 9 에 있어서 고농도부의 두께가 0.0 ㎚ 인데, 투과형 전자 현미경 관찰에 있어서의 20 점의 측정값 모두가 0.0 ㎚ 였다.
또한, 이와 같이 고농도부가 명확하게 관찰되지 않아도, 접합 계면을 EDS 분석한 결과, 규소 농도가 5.5 wt％ 로 금속판 중의 규소 농도 (0.2 ∼ 0.3 wt％) 의 5 배 이상으로, 고농도부가 존재하고 있음은 분명하다.
산업상 이용가능성
이상 상세히 서술한 바와 같이, 본 발명은 금속판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합되어, 열사이클 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판에 유용하고, 또한 이 파워 모듈 기판을 포함하는 파워 모듈 및 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 유용하다.
1, 101, 201 파워 모듈
2, 102, 202 땜납층
3, 103, 203 반도체 칩 (전자 부품)
10, 110, 210 파워 모듈용 기판
11, 111, 211 세라믹스 기판
12, 112, 212 회로층
13, 113, 213 금속층
22, 23, 122, 123, 222, 223 금속판
24, 25, 124, 125, 224, 225 납재박 (납재)
26, 27, 126, 127, 226, 227 용융 알루미늄층
30, 130, 230 접합 계면
32, 132, 232 고농도부

Claims (20)

  1. 파워 모듈용 기판으로서,
    AlN 으로 이루어지며, 표면을 갖는 세라믹스 기판과,
    상기 세라믹스 기판의 상기 표면에 규소를 함유하는 납재를 개재하여 접합되는 순알루미늄으로 이루어지는 금속판과,
    상기 금속판과 상기 세라믹스 기판이 접합되는 접합 계면에 형성되며, 상기 금속판 중의 규소 농도의 5 배 이상인 규소 농도를 갖는 고농도부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고농도부의 산소 농도는, 상기 금속판 중 및 상기 세라믹스 기판 중의 산소 농도보다 높으며,
    상기 고농도부의 두께는, 4 ㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고농도부를 포함하는 상기 접합 계면을 에너지 분산형 X 선 분석법에 의해 분석한 Al, Si, O, N 의 질량비는, Al : Si : O : N ＝ 40 ∼ 80 wt％ : 2 ∼ 10 wt％ : 20 wt％ 이하 : 10 ∼ 40 wt％ 인 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  4. 파워 모듈로서,
    제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판과,
    상기 파워 모듈용 기판 상에 탑재되는 전자 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  5. 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    AlN 으로 이루어지며, 표면을 갖는 세라믹스 기판과, 순알루미늄으로 이루어지는 금속판과, 규소를 함유하는 납재를 준비하고,
    상기 세라믹스 기판 및 상기 금속판을, 납재를 개재하여 적층시키고,
    상기 적층된 상기 세라믹스 기판, 상기 납재, 및 상기 금속판을 가압한 상태에서 가열하고,
    상기 납재를 용융시켜 세라믹스 기판 및 금속판의 계면에 용융 알루미늄층을 형성하고,
    상기 용융 알루미늄층을 냉각시킴으로써 상기 용융 알루미늄층을 응고시켜,
    상기 세라믹스 기판과 상기 금속판이 접합된 접합 계면에, 상기 금속판 중의 규소 농도의 5 배 이상인 규소 농도를 갖는 고농도부를 생성시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판 및 상기 금속판을 납재를 개재하여 적층시키기 전에, 상기 세라믹스 기판의 상기 표면에 규소를 미리 부착시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판 및 상기 금속판을 납재를 개재하여 적층시키기 전에, 상기 금속판의 표면에 규소를 미리 부착시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  8. 파워 모듈용 기판으로서,
    Si3N4 로 이루어지며, 표면을 갖는 세라믹스 기판과,
    상기 세라믹스 기판의 상기 표면에 규소를 함유하는 납재를 개재하여 접합되는 순알루미늄으로 이루어지는 금속판과,
    상기 금속판과 상기 세라믹스 기판이 접합되는 접합 계면에 형성되며, 상기 금속판 중 및 상기 세라믹스 기판 중의 산소 농도보다 높은 산소 농도를 가지며, 두께가 4 ㎚ 이하인 고농도부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 접합 계면을 에너지 분산형 X 선 분석법에 의해 분석한 Al, Si, O, N 의 질량비는, Al : Si : O : N ＝ 15 ∼ 50 wt％ : 25 ∼ 50 wt％ : 20 wt％ 이하 : 10 ∼ 40 wt％ 인 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    융점 강하 원소가 규소인 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  11. 파워 모듈로서,
    제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판과,
    상기 파워 모듈용 기판 상에 탑재되는 전자 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  12. 파워 모듈용 기판을 제조하는 방법으로서,
    Si3N4 로 이루어지며, 표면을 갖는 세라믹스 기판과, 순알루미늄으로 이루어지는 금속판과, 융점 강하 원소를 함유하는 납재를 준비하고,
    상기 세라믹스 기판 및 상기 금속판을, 납재를 개재하여 적층시키고,
    상기 적층된 상기 세라믹스 기판, 상기 납재, 및 상기 금속판을 가압한 상태에서 가열하고,
    상기 납재를 용융시켜 세라믹스 기판 및 금속판의 계면에 용융 알루미늄층을 형성하고,
    상기 용융 알루미늄층을 냉각시킴으로써 상기 용융 알루미늄층을 응고시켜,
    상기 세라믹스 기판과 상기 금속판이 접합된 접합 계면에, 상기 금속판 중 및 상기 세라믹스 기판 중의 산소 농도보다 높은 산소 농도를 가지며, 두께가 4 ㎚ 이하인 고농도부를 생성시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판 및 상기 금속판을 납재를 개재하여 적층시키기 전에, 상기 세라믹스 기판의 상기 표면에 규소를 미리 부착시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판 및 상기 금속판을 납재를 개재하여 적층시키기 전에, 상기 금속판의 표면에 규소를 미리 부착시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  15. 파워 모듈용 기판으로서,
    Al2O3 으로 이루어지며, 표면을 갖는 세라믹스 기판과,
    상기 세라믹스 기판의 상기 표면에 규소를 함유하는 납재를 개재하여 접합되는 순알루미늄으로 이루어지는 금속판과,
    상기 금속판과 상기 세라믹스 기판이 접합되는 접합 계면에 형성되며, 상기 금속판 중의 규소 농도의 5 배 이상인 규소 농도를 갖는 고농도부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 고농도부를 포함하는 상기 접합 계면을 에너지 분산형 X 선 분석법에 의해 분석한 Al, Si, O 의 질량비는, Al : Si : O ＝ 40 ∼ 80 wt％ : 2 ∼ 10 wt％ : 50 wt％ 이하인 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  17. 파워 모듈로서,
    제 15 항 또는 제 16 항에 기재된 파워 모듈용 기판과,
    상기 파워 모듈용 기판 상에 탑재되는 전자 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  18. 파워 모듈용 기판을 제조하는 방법으로서,
    Al2O3 으로 이루어지며, 표면을 갖는 세라믹스 기판과, 순알루미늄으로 이루어지는 금속판과, 규소를 함유하는 납재를 준비하고,
    상기 세라믹스 기판 및 상기 금속판을, 납재를 개재하여 적층시키고,
    상기 적층된 상기 세라믹스 기판, 상기 납재, 및 상기 금속판을 가압한 상태에서 가열하고,
    상기 납재를 용융시켜 세라믹스 기판 및 금속판의 계면에 용융 알루미늄층을 형성하고,
    상기 용융 알루미늄층을 냉각시킴으로써 상기 용융 알루미늄층을 응고시켜,
    상기 세라믹스 기판과 상기 금속판이 접합된 접합 계면에, 상기 금속판 중의 규소 농도의 5 배 이상인 규소 농도를 갖는 고농도부를 생성시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판 및 상기 금속판을 납재를 개재하여 적층시키기 전에, 상기 세라믹스 기판의 상기 표면에 규소를 미리 부착시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판 및 상기 금속판을 납재를 개재하여 적층시키기 전에, 상기 금속판의 표면에 규소를 미리 부착시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
KR1020107025160A 2008-05-16 2009-05-15 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법 KR20110015544A (ko)

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008129669A JP4935753B2 (ja) 2008-05-16 2008-05-16 パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法
JP2008129668A JP4807378B2 (ja) 2008-05-16 2008-05-16 パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法
JP2008129670A JP4798171B2 (ja) 2008-05-16 2008-05-16 パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法
JPJP-P-2008-129669 2008-05-16
JPJP-P-2008-129670 2008-05-16
JPJP-P-2008-129668 2008-05-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20110015544A true KR20110015544A (ko) 2011-02-16

Family

ID=41318830

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020107025160A KR20110015544A (ko) 2008-05-16 2009-05-15 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법

Country Status (6)

Country Link
US (3) US8609993B2 (ko)
EP (1) EP2282334B1 (ko)
KR (1) KR20110015544A (ko)
CN (1) CN102027592B (ko)
HK (1) HK1154119A1 (ko)
WO (1) WO2009139472A1 (ko)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130097481A (ko) * 2012-02-24 2013-09-03 삼성전자주식회사 인쇄회로기판(ｐｃｂ) 및 그 ｐｃｂ를 포함한 메모리 모듈
JP6056446B2 (ja) * 2012-12-17 2017-01-11 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板の製造方法
US9585241B2 (en) * 2013-09-24 2017-02-28 Infineon Technologies Ag Substrate, chip arrangement, and method for manufacturing the same
US9969654B2 (en) * 2014-01-24 2018-05-15 United Technologies Corporation Method of bonding a metallic component to a non-metallic component using a compliant material
TWI567047B (zh) * 2014-02-12 2017-01-21 三菱綜合材料股份有限公司 銅／陶瓷接合體及電源模組用基板
DE102014219759A1 (de) * 2014-09-30 2016-03-31 Siemens Aktiengesellschaft Leistungsmodul
JP6729224B2 (ja) 2015-11-26 2020-07-22 三菱マテリアル株式会社 セラミックス／アルミニウム接合体、絶縁回路基板、パワーモジュール、ｌｅｄモジュール、熱電モジュール
WO2018037842A1 (ja) 2016-08-22 2018-03-01 株式会社村田製作所 セラミック基板及び電子部品内蔵モジュール
WO2018207396A1 (ja) * 2017-05-11 2018-11-15 住友電気工業株式会社 半導体装置
JP6848008B2 (ja) * 2019-06-06 2021-03-24 マレリ株式会社 接合方法
US11495519B2 (en) 2019-06-07 2022-11-08 Dana Canada Corporation Apparatus for thermal management of electronic components
JP7221401B2 (ja) * 2019-08-29 2023-02-13 京セラ株式会社 電気回路基板及びパワーモジュール

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03234045A (ja) 1990-02-09 1991-10-18 Toshiba Corp 窒化アルミニウム基板およびこれを用いた半導体モジュール
US5100048A (en) * 1991-01-25 1992-03-31 Alcan International Limited Method of brazing aluminum
JP3063299B2 (ja) 1991-03-20 2000-07-12 三菱マテリアル株式会社 半導体装置実装用基板
US5213877A (en) * 1991-05-02 1993-05-25 Mitsubishi Materials Corporation Ceramic substrate used for fabricating electric or electronic circuit
JP3171234B2 (ja) * 1997-03-26 2001-05-28 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付セラミック回路基板
US6033787A (en) * 1996-08-22 2000-03-07 Mitsubishi Materials Corporation Ceramic circuit board with heat sink
JP2002036424A (ja) 2000-04-19 2002-02-05 Hitachi Metals Ltd 積層箔及びそれを用いた配線板並びに積層箔の製造方法
US7129979B1 (en) * 2000-04-28 2006-10-31 Eastman Kodak Company Image sensor pixel for global electronic shuttering
JP2002203942A (ja) 2000-12-28 2002-07-19 Fuji Electric Co Ltd パワー半導体モジュール
US7069645B2 (en) * 2001-03-29 2006-07-04 Ngk Insulators, Ltd. Method for producing a circuit board
US20030039856A1 (en) * 2001-08-15 2003-02-27 Gillispie Bryan A. Product and method of brazing using kinetic sprayed coatings
US7270885B1 (en) * 2001-11-14 2007-09-18 Marlene Rossing, legal representative Method for brazing ceramic-containing bodies, and articles made thereby
US20060102696A1 (en) * 2001-11-21 2006-05-18 Graham Michael E Layered products for fluxless brazing of substrates
JP3922538B2 (ja) 2002-04-18 2007-05-30 日立金属株式会社 セラミックス回路基板の製造方法
JP4241397B2 (ja) 2002-04-19 2009-03-18 三菱マテリアル株式会社 回路基板の製造方法
JP4055596B2 (ja) * 2003-02-05 2008-03-05 日本発条株式会社 複合材
JP2006045040A (ja) 2004-08-09 2006-02-16 Nhk Spring Co Ltd Ｓｉ系セラミックスを有す複合材およびその製造方法。
JP5326278B2 (ja) * 2005-08-29 2013-10-30 日立金属株式会社 回路基板及びこれを用いた半導体モジュール、回路基板の製造方法
WO2007105361A1 (ja) * 2006-03-08 2007-09-20 Kabushiki Kaisha Toshiba 電子部品モジュール
US7755185B2 (en) * 2006-09-29 2010-07-13 Infineon Technologies Ag Arrangement for cooling a power semiconductor module
JP4629016B2 (ja) 2006-10-27 2011-02-09 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付パワーモジュール用基板およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュール
JP2008129669A (ja) 2006-11-17 2008-06-05 Meidensha Corp ハードウェア異常記録装置及びハードウェア異常記録方法
JP2008129668A (ja) 2006-11-17 2008-06-05 Meidensha Corp Ｃｐｕの割込み制御方式
JP2008129670A (ja) 2006-11-17 2008-06-05 Oki Electric Ind Co Ltd 現金自動預払機およびこれを用いたコンテンツ配信方法およびシステム
JP5056340B2 (ja) * 2007-10-22 2012-10-24 トヨタ自動車株式会社 半導体モジュールの冷却装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP2282334B1 (en) 2020-08-19
HK1154119A1 (en) 2012-04-20
US20140071633A1 (en) 2014-03-13
US20140078684A1 (en) 2014-03-20
CN102027592A (zh) 2011-04-20
US8609993B2 (en) 2013-12-17
US20110067906A1 (en) 2011-03-24
US9095062B2 (en) 2015-07-28
CN102027592B (zh) 2013-08-07
EP2282334A1 (en) 2011-02-09
US9101063B2 (en) 2015-08-04
EP2282334A4 (en) 2014-11-19
WO2009139472A1 (ja) 2009-11-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20110015544A (ko) 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법
KR102130868B1 (ko) 접합체, 파워 모듈용 기판, 및 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판
KR102224535B1 (ko) 파워 모듈용 기판의 제조 방법
KR102422607B1 (ko) 접합체, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트 싱크, 및 접합체의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 히트 싱크의 제조 방법
KR102272865B1 (ko) 접합체, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트 싱크, 접합체의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 및 히트 싱크의 제조 방법
KR102220852B1 (ko) 접합체의 제조 방법 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법
WO2009148168A1 (ja) パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及びパワーモジュール用基板の製造方法
KR102154882B1 (ko) 파워 모듈
KR102336484B1 (ko) 접합체, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트 싱크, 접합체의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 및 히트 싱크의 제조 방법
JP6656657B2 (ja) セラミックス／アルミニウム接合体、パワーモジュール用基板、及び、パワーモジュール
KR102330134B1 (ko) 접합체의 제조 방법, 파워 모듈용 기판의 제조 방법
KR20140142322A (ko) 파워 모듈용 기판 및 그 제조 방법
JP5725061B2 (ja) パワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板
JP2019081690A (ja) 接合体、及び、絶縁回路基板
KR20200083455A (ko) 접합체, 및, 절연 회로 기판
JP4935753B2 (ja) パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法
KR20120021152A (ko) 파워 모듈용 기판, 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법
WO2019082970A1 (ja) 接合体、及び、絶縁回路基板
JP4798171B2 (ja) パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法
JP5359943B2 (ja) パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法
WO2023286862A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
KR101878492B1 (ko) 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈
JP5359942B2 (ja) パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法
KR20220154663A (ko) 절연 회로 기판
JP5640571B2 (ja) パワーモジュール用基板の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application