KR20110100154A - 파워 모듈용 기판, 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈 - Google Patents

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

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KR20110100154A
KR20110100154A KR1020110017823A KR20110017823A KR20110100154A KR 20110100154 A KR20110100154 A KR 20110100154A KR 1020110017823 A KR1020110017823 A KR 1020110017823A KR 20110017823 A KR20110017823 A KR 20110017823A KR 20110100154 A KR20110100154 A KR 20110100154A
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ceramic substrate
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히로시 도노무라
요시유키 나가토모
도시유키 나가세
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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 열사이클 부하시에 있어서, 회로층의 표면에 기복이나 주름이 발생하는 것을 억제할 수 있고, 또한, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 계면에 열응력이 작용하는 것을 억제할 수 있어, 열사이클 신뢰성이 우수한 파워 모듈용 기판을 제공한다.
(해결수단) 세라믹스 기판 (11) 의 일면에, 알루미늄으로 이루어지는 회로층 (12) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (10) 으로서, 회로층 (12) 은, 본체층 (12B) 과, 상기 일방의 면측에 드러나도록 배치된 표면 경화층 (12A) 을 갖고 있고, 회로층 (12) 의 상기 일방의 면에 있어서의 인덴테이션 경도 (Hs) 가 50 mgf/μ㎡ 이상 200 mgf/μ㎡ 이하의 범위 내로 설정되고, 이 인덴테이션 경도 (Hs) 의 80 ％ 이상의 영역이 표면 경화층 (12A) 으로 되어 있고, 본체층 (12B) 의 인덴테이션 경도 (Hb) 가 상기 인덴테이션 경도 (Hs) 의 80 ％ 미만으로 되어 있다.

Description

파워 모듈용 기판, 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈{SUBSTRATE FOR POWER MODULE, MANUFACTURING METHOD OF SUBSTRATE FOR POWER MODULE, SUBSTRATE FOR POWER MODULE EQUIPTTED WITH HEAT SINK , AND POWER MODULE}
이 발명은, 반도체 소자 등의 전자 부품이 탑재되는 회로층을 구비한 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 이 파워 모듈용 기판을 사용한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈에 관한 것이다.
반도체 소자 중에서도 전력 공급을 위한 파워 소자는 발열량이 비교적 높기 때문에, 이것을 탑재하는 기판으로서는, 예를 들어, 특허문헌 1 에 나타내는 바와 같이, AlN (질화알루미늄) 으로 이루어지는 세라믹스 기판 상에, 회로층이 되는 Al (알루미늄) 의 금속판이 Al-Si 계의 납재를 개재하여 접합된 파워 모듈용 기판이 널리 사용되고 있다.
또, 예를 들어 특허문헌 2 - 4 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 상에 알루미늄 합금 부재를 용탕 접합법에 의해 접합하여 회로층을 형성한 파워 모듈용 기판이 제안되어 있다.
이와 같은 파워 모듈용 기판에 있어서는, 회로층 상에, 땜납층을 개재하여 파워 소자로서의 반도체 소자가 탑재되어 파워 모듈로서 사용된다.
여기서, 상기 서술한 파워 모듈에 있어서는, 사용시에 열사이클이 부하되게 된다. 그렇게 되면, 세라믹스 기판과 알루미늄의 열팽창 계수의 차이에 의한 응력이 세라믹스 기판과 회로층의 접합 계면에 작용하여 접합 신뢰성이 저하될 우려가 있다. 그래서, 종래는, 순도가 99.99 ％ 이상인 4 N 알루미늄 등의 비교적 변형 저항이 작은 알루미늄으로 회로층을 구성하여 열응력을 회로층의 변형에 의해 흡수함으로써, 접합 신뢰성의 향상을 도모하고 있었다.
일본 공개특허공보 2005-328087호 일본 공개특허공보 2002-329814호 일본 공개특허공보 2005-252136호 일본 공개특허공보 2007-092150호
그런데, 회로층을 순도가 99.99 ％ 이상 (4 N 알루미늄) 등의 비교적 변형 저항이 작은 알루미늄으로 구성한 경우, 열사이클을 부하했을 때에, 회로층의 표면에 기복이나 주름이 발생한다는 문제가 있었다. 이와 같이 회로층의 표면에 기복이나 주름이 발생하면, 땜납층에 크랙이 발생하므로, 파워 모듈의 신뢰성이 저하되게 된다.
특히, 최근에는, 파워 모듈의 소형화·박육화가 진행됨과 함께, 그 사용 환경도 엄격해지고 있고, 반도체 소자 등의 전자 부품으로부터의 발열량이 커지고 있기 때문에, 열사이클의 온도차가 커, 회로층의 표면에 기복이나 주름이 발생할 우려가 있다.
이 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 열사이클 부하시에 있어서, 회로층의 표면에 기복이나 주름이 발생하는 것을 억제할 수 있고, 또한, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 계면에 열응력이 작용하는 것을 억제할 수 있어, 열사이클 신뢰성이 우수한 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 이 파워 모듈용 기판을 구비한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 과제를 해결하여 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판의 일면에, 알루미늄으로 이루어지는 회로층이 배치 형성되고, 이 회로층의 일방의 면 상에 전자 부품이 배치 형성되는 파워 모듈용 기판으로서, 상기 회로층은, 본체층과, 상기 일방의 면측에 드러나도록 배치된 표면 경화층을 갖고 있고, 상기 회로층의 상기 일방의 면에 있어서의 인덴테이션 경도 (Hs) 가 50 mgf/μ㎡ 이상 200 mgf/μ㎡ 이하의 범위 내로 설정되고, 상기 회로층 중, 상기 인덴테이션 경도 (Hs) 의 80 ％ 이상의 인덴테이션 경도를 갖는 영역이 상기 표면 경화층으로 되어 있고, 상기 표면 경화층은, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 함유하고 있고, 상기 본체층의 인덴테이션 경도 (Hb) 가, 상기 인덴테이션 경도 (Hs) 의 80 ％ 미만으로 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명에 있어서의 인덴테이션 경도 (H) 란, 베르코비치 압자로 불리는 능간각 (稜間角) 이 114.8 °이상 115.1 °이하인 삼각뿔 다이아몬드 압자를 이용하여 시험 하중을 5000 mgf 로 하여 부하를 가했을 때의 하중-변위의 상관을 계측하여,
H = 37.926 × 10-3 × (하중〔mgf〕÷ 변위〔㎛〕2)
의 식으로 정의되는 것이다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 의하면, 회로층 중, 땜납층이 형성되는 회로층의 일방의 면측에 표면 경화층이 형성되어 있고, 이 표면 경화층의 인덴테이션 경도가, 상기 회로층의 상기 일방의 면에 있어서의 인덴테이션 경도 (Hs) (50 mgf/μ㎡ 이상 200 mgf/μ㎡ 이하) 의 80 ％ 이상으로 설정되어 있으므로, 회로층의 일방의 면측 부분의 변형 저항이 커져, 열사이클 부하시에 있어서의 기복이나 주름의 발생을 억제할 수 있게 된다.
또한, 상기 표면 경화층이 Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 함유하고 있으므로, 이들 첨가 원소에 의해 알루미늄을 경화시킴으로써 상기 표면 경화층을 형성할 수 있게 된다.
또, 회로층은, 인덴테이션 경도 (Hb) 가, 상기 인덴테이션 경도 (Hs) 의 80 ％ 미만인 본체층을 갖고 있으므로, 이 본체층에서는, 변형 저항이 비교적 작아진다. 따라서, 열사이클 부하시의 열응력을 이 본체층의 변형에 의해 흡수할 수 있게 되어, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 표면 경화층의 두께가 1 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하로 되어 있고, 상기 본체층의 두께가 100 ㎛ 이상 1500 ㎛ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 표면 경화층의 두께가 1 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하로 되어 있으므로, 회로층의 일방의 면에 기복이나 주름이 발생하는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 또, 본체층의 두께가 100 ㎛ 이상 1500 ㎛ 이하로 되어 있으므로, 열사이클 부하시의 열응력을 본체층에서 확실하게 흡수할 수 있다.
또, 상기 표면 경화층에 있어서의 상기 첨가 원소의 함유량의 합계가 0.2 atom％ 이상 10 atom％ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 표면 경화층이, 상기 서술한 첨가 원소를 합계로 0.2 atom％ 이상 10 atom％ 이하 함유하고 있으므로, 이들 첨가 원소에 의해 확실하게 알루미늄을 경화시킬 수 있어, 전술한 인덴테이션 경도를 갖는 표면 경화층을 형성할 수 있게 된다.
또한, 상기 세라믹스 기판이 AlN, Si3N4 또는 Al2O3 으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 세라믹스 기판이 절연성이 우수하기 때문에, 절연 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판을 제공할 수 있다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 전술한 파워 모듈용 기판을 제조하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 회로층이 되는 금속판의 상기 일방의 면에, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, 이 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성하는 고착 공정과, 상기 회로층을 가열하여, 상기 회로층의 내부를 향하여 상기 첨가 원소를 확산시킴으로써, 상기 회로층의 상기 일방의 면에 표면 경화층을 형성하는 가열 공정을 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 가열 공정에 있어서, 회로층의 일방의 면에 형성된 고착층에 함유되는 Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 회로층의 내부로 확산시킴으로써, 회로층의 일방의 면측의 첨가 원소 농도가 높고, 일방의 면으로부터 멀어짐에 따라 첨가 원소 농도가 낮아진다. 그리고, 이 첨가 원소의 농도 분포에 의해, 회로층의 일방의 면측에 표면 경화층이 형성되고, 이 표면 경화층에 적층되도록 본체층이 형성되게 된다. 따라서, 표면 경화층과 본체층을 구비한 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.
또, 본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 전술한 파워 모듈용 기판을 제조하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 회로층이 되는 금속판의 일방의 면에, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, 이 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성하는 고착 공정과, 상기 금속판의 타방의 면측에, 납재를 개재하여 상기 세라믹스 기판을 적층하는 적층 공정과, 적층된 상기 세라믹스와 상기 금속판을 적층 방향으로 가압함과 함께 가열하여, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 형성하는 가열 공정과, 이 용융 금속 영역을 응고시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 접합하는 응고 공정을 갖고, 상기 가열 공정에 있어서, 상기 고착층의 상기 첨가 원소를, 상기 회로층의 내부를 향하여 확산시킴으로써, 상기 회로층의 상기 일방의 면에 표면 경화층을 형성하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판을 납땜하기 위한 가열 공정에 있어서, 금속판의 일방의 면측에 고착된 Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 확산시켜 표면 경화층을 형성할 수 있다. 따라서, 표면 경화층을 형성하기 위해 별도 가열 처리를 실시할 필요가 없어, 이 파워 모듈용 기판의 제조 비용을 삭감할 수 있다.
또한, 본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 전술한 파워 모듈용 기판을 제조하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 회로층이 되는 금속판의 일방의 면에, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, 이 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성하는 고착 공정과, 상기 금속판의 타방의 면 또는 상기 세라믹스 기판의 일면 중 적어도 일방에, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 제 2 첨가 원소를 고착시켜 제 2 고착층을 형성하는 제 2 고착 공정과, 상기 제 2 고착층을 개재하여, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 적층하는 적층 공정과, 적층된 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 적층 방향으로 가압함과 함께 가열하여, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 형성하는 가열 공정과, 이 용융 금속 영역을 응고시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 접합하는 응고 공정을 갖고, 상기 가열 공정에 있어서, 상기 고착층의 상기 첨가 원소를, 상기 회로층의 내부를 향하여 확산시킴으로써, 상기 회로층의 상기 일방의 면에 표면 경화층을 형성하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 가열 공정에 의해 Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 제 2 첨가 원소를 확산시켜 용융 금속 영역을 형성하고, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판을 접합함으로써 회로층을 형성할 수 있다. 또, 이 가열 공정에 있어서, 금속판의 일방의 면측에 고착된 Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 확산시켜 표면 경화층을 형성할 수 있다. 따라서, 표면 경화층을 형성하기 위해 별도 가열 처리를 실시할 필요가 없어, 이 파워 모듈용 기판의 제조 비용을 삭감할 수 있다.
또, 본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 전술한 파워 모듈용 기판을 제조하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 회로층이 되는 금속판의 일방의 면에, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, 이 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성하는 고착 공정과, 상기 금속판의 타방의 면 또는 상기 세라믹스 기판의 일면 중 적어도 일방에, Si, Cu, Ag 및 Ge 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 제 2 첨가 원소와, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb 및 Mo 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 원소를 고착시켜, 이들 제 2 첨가 원소 및 활성 원소를 함유하는 제 2 고착층을 형성하는 제 2 고착 공정과, 상기 제 2 고착층을 개재하여, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 적층하는 적층 공정과, 적층된 상기 세라믹스와 상기 금속판을 적층 방향으로 가압함과 함께 가열하여, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 형성하는 가열 공정과, 이 용융 금속 영역을 응고시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 접합하는 응고 공정을 갖고, 상기 가열 공정에 있어서, 상기 금속판에 상기 첨가 원소를 확산시킴으로써, 상기 금속판의 표층에 금속 경화층을 형성하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 가열 공정에 의해, Si, Cu, Ag 및 Ge 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 제 2 첨가 원소와, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb 및 Mo 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 원소를 확산시켜 용융 금속 영역을 형성하고, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판을 접합함으로써 회로층을 형성할 수 있다. 특히, 상기 제 2 첨가 원소는, 알루미늄의 융점을 강하시키는 원소이기 때문에, 비교적 저온 조건에서, 금속판과 세라믹스 기판의 계면에 용융 금속 영역을 형성할 수 있다.
또, 이 가열 공정에 있어서, 금속판의 일방의 면측에 고착된 Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 확산시켜 표면 경화층을 형성할 수 있다. 따라서, 표면 경화층을 형성하기 위해 별도 가열 처리를 실시할 필요가 없어, 이 파워 모듈용 기판의 제조 비용을 삭감할 수 있다.
여기서, 상기 고착 공정에서는, 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시키는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시키고 있으므로, 첨가 원소를 확실하게 고착시킬 수 있다. 또한, 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시키려면, 상기 첨가 원소와 Al 을 동시에 증착시켜도 되고, 상기 첨가 원소와 Al 의 합금을 타깃으로서 이용하여 스퍼터링을 실시해도 된다.
또, 도금, 증착, CVD, 스퍼터링, 콜드 스프레이, 또는 상기 첨가 원소를 함유하는 분말이 분산된 페이스트 혹은 잉크의 도포에 의해 상기 첨가 원소를 고착시켜, 상기 고착층을 형성하는 것이 바람직하다.
이 경우, 도금, 증착, CVD, 스퍼터링, 콜드 스프레이, 또는 상기 첨가 원소를 함유하는 분말이 분산된 페이스트 혹은 잉크의 도포에 의해, 상기 첨가 원소를 상기 금속판의 일방의 면에 확실하게 고착시킬 수 있어, 전술한 고착층을 형성할 수 있다. 또, 상기 첨가 원소의 고착량을 양호한 정밀도로 조정할 수 있게 된다.
또, 본 발명의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 전술한 파워 모듈용 기판과, 이 파워 모듈용 기판을 냉각시키는 히트싱크를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 의하면, 파워 모듈용 기판을 냉각시키는 히트싱크를 구비하고 있으므로, 파워 모듈용 기판에 발생한 열을 히트싱크에 의해 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 파워 모듈은, 전술한 파워 모듈용 기판과, 이 파워 모듈용 기판 상에 탑재되는 전자 부품을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 파워 모듈에 의하면, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 강도가 높고, 또한, 회로층과 반도체 소자 사이에 형성된 땜납층에 있어서의 크랙의 발생을 억제할 수 있으므로, 사용 환경이 엄격한 경우에도, 그 신뢰성을 비약적으로 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 열사이클 부하시에 있어서, 회로층의 표면에 기복이나 주름이 발생하는 것을 억제할 수 있고, 또한, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 계면에 열응력이 작용하는 것을 억제할 수 있어, 열사이클 신뢰성이 우수한 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 이 파워 모듈용 기판을 구비한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈을 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판을 나타내는 설명도이다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층을 나타내는 설명도이다.
도 4 는 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 5 는 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 6 은 도 5 에 있어서의 금속판과 세라믹스 기판의 접합 계면 근방을 나타내는 설명도이다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 8 은 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판을 나타내는 설명도이다.
도 9 는 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 (금속층) 과 세라믹스 기판의 접합 계면을 나타내는 확대 설명도이다.
도 10 은 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 11 은 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 12 는 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판을 나타내는 설명도이다.
도 13 은 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 14 는 본 발명의 제 4 실시형태인 파워 모듈용 기판을 나타내는 설명도이다.
도 15 는 본 발명의 제 4 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 16 은 본 발명의 제 5 실시형태인 파워 모듈용 기판을 나타내는 설명도이다.
도 17 은 본 발명의 제 5 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 에, 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판을 사용한 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 (40) 를 구비하고 있다. 여기서, 땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 회로층 (12) 과 땜납층 (2) 사이에 Ni 도금층 (도시 생락) 이 형성되어 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, 절연층을 구성하는 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일면 (도 1 및 도 2 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (12) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타면 (도 1 및 도 2 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, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, 세라믹 기판 (11) 의 폭은, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 폭보다 넓게 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일면 (도 5 에 있어서 상면) 에, 도전성을 갖는 금속판 (22) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판 (22) 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
금속층 (13) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 타면 (도 5 에 있어서 하면) 에, 금속판 (23) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 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 접합됨으로써 형성되어 있다.
히트싱크 (40) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (10) 을 냉각시키기 위한 것으로, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 천판부 (41) 와, 냉각 매체 (예를 들어 냉각수) 를 유통시키기 위한 유로 (42) 를 구비하고 있다. 히트싱크 (40) (천판부 (41)) 는, 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 본 실시형태에 있어서는, A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 히트싱크 (40) 의 천판부 (41) 와 금속층 (13) 사이에는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 알루미늄을 포함하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층 (15) 이 형성되어 있다.
그리고, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (12) 은, 그 일방의 면 (도 2에 있어서 상면) 측에 배치 형성된 표면 경화층 (12A) 과, 이 표면 경화층 (12A) 의 타방의 면측에 위치하는 본체층 (12B) 을 구비하고 있다.
표면 경화층 (12A) 은, 회로층 (12) 의 일방의 면에 드러나고, 이 일방의 면으로부터 타방의 면측 (도 2 에 있어서 하측) 을 향하여 연장되어 있고, 회로층 (12) 의 일방의 면에 있어서의 인덴테이션 경도 (Hs) 에 대해 80 ％ 이상의 인덴테이션 경도를 갖는 영역이다. 여기서, 본 실시형태에서는, 회로층 (12) 의 일방의 면에 있어서의 인덴테이션 경도 (Hs) 가 50 mgf/μ㎡ 이상 200 mgf/μ㎡ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
본체층 (12B) 은, 그 인덴테이션 경도 (Hb) 가 상기 인덴테이션 경도 (Hs) 의 80 ％ 미만인 영역이 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 회로층 (12) 중 세라믹스 기판 (11) 과의 접합 계면 근방에는, 그 인덴테이션 경도 (Hc) 가 본체층 (12B) 의 인덴테이션 경도 (Hb) 보다 높은 계면 근방층 (12C) 이 형성되어 있다.
여기서, 본 실시형태에서는, 표면 경화층 (12A) 의 두께 (ts) 가 1 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하이고, 본체층 (12B) 의 두께 (tb) 가 100 ㎛ 이상 1500 ㎛ 이하, 계면 근방층 (12C) 의 두께 (tc) 가 50 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하로 되어 있다.
또, 표면 경화층 (12A) 은, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 함유하고 있고, 이 첨가 원소의 함유량의 합계가 0.2 atom％ 이상 10 atom％ 이하로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Ni 를 0.2 atom％ 이상 10 atom％ 이하 함유하고 있다.
회로층 (12) 에 있어서는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 그 일방의 면이 가장 첨가 원소의 함유량이 높게 되어 있고, 타방의 면측을 향함에 따라 함유량이 낮아지도록 구성되어 있다. 이 첨가 원소에 의해 회로층 (12) 의 일부가 경화되어, 상기 서술한 표면 경화층 (12A) 이 형성되어 있는 것이다.
한편, 본체층 (12B) 에서는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 첨가 원소의 함유량이 적기 때문에 Al 의 순도가 높고, 변형 저항이 작은 상태이다.
또한, 세라믹스 기판 (11) 측에 위치하는 계면 근방층 (12C) 에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22) 의 접합에 있어서 이용되는 원소가 확산됨으로써, 본체층 (12B) 보다 Al 의 순도가 낮게 되어 있다.
이하에, 전술한 구성의 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법에 대하여, 도 4 내지 도 6 을 참조하여 설명한다.
(고착 공정 S01)
먼저, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (12) 이 되는 금속판 (22) 의 일방의 면에, 스퍼터링에 의해, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, 이 첨가 원소를 함유하는 고착층 (22A) 을 형성한다.
본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Ni 를 고착시키고 있고, 그 고착량을 0.05 ㎎/㎠ 이상 2.0 ㎎/㎠ 이하로 설정하고 있다.
(적층 공정 S02)
다음으로, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일면측에, 회로층 (12) 이 되는 금속판 (22) (4 N 알루미늄의 압연판) 이, 두께 5 ∼ 50 ㎛ (본 실시형태에서는 14 ㎛) 의 납재박 (24) 을 개재하여 적층되고, 세라믹스 기판 (11) 의 타면측에, 금속층 (13) 이 되는 금속판 (23) (4 N 알루미늄의 압연판) 이 두께 5 ∼ 50 ㎛ (본 실시형태에서는 14 ㎛) 의 납재박 (25) 을 개재하여 적층된다. 이 때, 금속판 (22) 은, 고착층 (22A) 이 형성된 면과는 반대의 면이 세라믹스 기판 (11) 측을 향하도록 적층된다. 이와 같이 하여 적층체 (20) 를 형성한다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 납재박 (24, 25) 은, 융점 강하 원소인 Si 를 함유한 Al-Si 계의 납재로 되어 있다.
(가열 공정 S03)
다음으로, 적층 공정 S02 에 있어서 형성된 적층체 (20) 를, 그 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 5 kgf/㎠) 한 상태에서 가열로 내에 장입하고 가열한다. 이 가열 공정 S03 에 의해, 납재박 (24, 25) 과 금속판 (22, 23) 의 일부가 용융되어, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 각각 용융 금속 영역 (26, 27) 이 형성된다. 여기서, 가열 온도는 550 ℃ 이상 650 ℃ 이하, 가열 시간은 30 분 이상 180 분 이하로 되어 있다.
또, 이 가열 공정 S03 에 의해, 금속판 (22) 의 고착층 (22A) 에 함유된 첨가 원소 (본 실시형태에서는 Ni) 가 금속판 (22) 의 타방의 면측을 향하여 확산되어 간다.
(응고 공정 S04)
다음으로, 적층체 (20) 를 냉각시킴으로써 용융 금속 영역 (26, 27) 을 응고시켜, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22) 및 금속판 (23) 을 접합한다. 이 때, 납재박 (24, 25) 에 함유되는 융점 강하 원소 (Si) 가 금속판 (22, 23) 측으로 확산되어 가게 된다.
이와 같이 하여, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 되는 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 이 접합되어, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 이 제조된다.
또, 회로층 (12) 에 있어서는, 고착층 (22A) 에 함유된 첨가 원소가 확산됨으로써 표면 경화층 (12A) 및 본체층 (12B) 이 형성된다. 또, 납재박 (24) 에 함유되는 Si 가 확산됨으로써 접합 근방층 (12C) 이 형성된다.
그리고, 이 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 의 타방의 면측에, 완충층 (15) 를 개재하여 히트싱크 (40) 납땜 등에 의해 접합되어, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판이 형성된다. 또, 회로층 (12) 의 표면에는 땜납층 (2) 을 개재하여 반도체 칩 (3) 을 탑재함으로써 본 실시형태인 파워 모듈 (1) 이 제출 (製出) 된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서는, 회로층 (12) 의 일방의 면측에, 표면 경화층 (12A) 이 형성되어 있고, 회로층 (12) 의 일방의 면에 있어서의 인덴테이션 경도 (Hs) 가 50 mgf/μ㎡ 이상 200 mgf/μ㎡ 이하의 범위 내로 설정되고, 이 인덴테이션 경도 (Hs) 의 80 ％ 이상의 영역이 표면 경화층 (12A) 으로 되어 있으므로, 회로층 (12) 의 일방의 면측 부분의 변형 저항이 커져, 열사이클 부하시에 있어서의 기복이나 주름의 발생을 억제할 수 있게 된다.
또, 회로층 (12) 은, 인덴테이션 경도 (Hb) 가 상기 인덴테이션 경도 (Hs) 의 80 ％ 미만인 본체층 (12B) 을 갖고 있으므로, 이 본체층 (12B) 에서는 변형 저항이 비교적 작아, 열사이클 부하시의 열응력을 이 본체층 (12B) 의 변형에 의해 흡수할 수 있게 된다. 따라서, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 표면 경화층 (12A) 의 두께가 1 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하로 되어 있기 때문에, 회로층 (12) 의 일방의 면에 기복이나 주름이 발생하는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 또한, 본체층 (12B) 의 두께가 100 ㎛ 이상 1500 ㎛ 이하로 되어 있으므로, 열사이클 부하시의 열응력을 본체층 (12B) 에서 확실하게 흡수할 수 있다.
따라서, 열사이클 부하시에 있어서, 회로층 (12) 의 표면의 기복이나 주름의 발생을 억제할 수 있어, 땜납층 (2) 에 있어서의 크랙의 발생을 억제할 수 있다. 또, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 계면에 열응력이 작용하는 것을 억제할 수 있어, 열사이클 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이 표면 경화층 (12A) 에 있어서는, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 함유하고 있고, 이 첨가 원소의 함유량의 합계가 0.2 atom％ 이상 10 atom％ 이하로 되어 있고, 본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Ni 를 0.2 atom％ 이상 10 atom％ 이하 함유하고 있으므로, 이 첨가 원소에 의해 금속판 (22) 을 경화시킬 수 있어, 회로층 (12) 의 일방의 면에 있어서의 인덴테이션 경도 (Hs) 를 50 mgf/μ㎡ 이상 200 mgf/μ㎡ 이하의 범위 내로 할 수 있다.
또, 회로층 (12) 이 되는 금속판 (22) 의 일방의 면에, 스퍼터링에 의해, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, 이 첨가 원소 (본 실시형태에서는 Ni) 를 함유하는 고착층 (22A) 을 형성하고, 이 금속판 (22) (회로층 (12)) 을 가열함으로써 첨가 원소를 확산시키고 있으므로, 회로층 (12) 의 일방의 면측에서 첨가 원소의 함유량이 높아져, 상기 서술한 표면 경화층 (12A) 을 형성할 수 있다. 또, 첨가 원소의 함유량은, 일방의 면으로부터 멀어짐에 따라 낮아지기 때문에, 표면 경화층 (12A) 에 적층되도록, 상기 서술한 본체층 (12B) 이 형성되게 된다.
여기서, 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 을 납땜하는 가열 공정 S03 에 있어서 고착층 (22A) 의 첨가 원소를 확산시키고 있으므로, 특별한 열처리 공정을 실시할 필요가 없어, 이 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 비용을 낮게 억제할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대하여 도 7 내지 도 11 을 참조하여 설명한다.
이 파워 모듈 (101) 은, 회로층 (112) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (110) 과, 회로층 (112) 의 표면에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 칩 (3) 과, 히트싱크 (140) 를 구비하고 있다. 여기서, 땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 회로층 (112) 과 땜납층 (2) 사이에 Ni 도금층 (도시 생략) 이 형성되어 있다.
파워 모듈용 기판 (110) 은, 세라믹스 기판 (111) 과, 이 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면 (도 7 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (112) 과, 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면 (도 7 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (113) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (111) 은, 회로층 (112) 과 금속층 (113) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것이다. 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (111) 은 절연성이 높은 Al2O3 (알루미나) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (111) 의 두께는, 0.2 ∼ 0.8 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.32 ㎜ 로 설정되어 있다.
도 11 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (112) 은, 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면에 도전성을 갖는 금속판 (122) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (112) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판 (122) 이 세라믹스 기판 (111) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
또, 금속층 (113) 은, 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면에 금속판 (123) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (113) 은, 회로층 (112) 과 동일하게 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판 (123) 이 세라믹스 기판 (111) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
히트싱크 (140) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (110) 을 냉각시키기 위한 것으로서, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 파워 모듈용 기판 (110) 과 접합되는 천판부 (141) 를 구비하고 있다. 본 실시형태에서는, 이 천판부 (141) 의 하방측에, 콜 게이트 핀 (146) 과 저판부 (145) 가 배치 형성되어 있고, 이들 천판부 (141), 콜 게이트 핀 (146) 및 저판부 (145) 에 의해, 냉각 매체 (예를 들어 냉각수) 를 유통시키기 위한 유로 (142) 가 구획되어 있다.
또한, 히트싱크 (140) (천판부 (141)) 는, 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 본 실시형태에 있어서는, A3003 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
그리고, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (112) 은, 그 일방의 면 (도 8 에 있어서 상면) 측에 배치 형성된 표면 경화층 (112A) 과, 이 표면 경화층 (112A) 의 타방의 면측에 위치하는 본체층 (112B) 을 구비하고 있다.
표면 경화층 (112A) 은, 회로층 (112) 의 일방의 면에 드러나고, 이 일방의 면으로부터 타방의 면측 (도 8 에 있어서 하측) 을 향하여 연장되어 있고, 회로층 (112) 의 일방의 면에 있어서의 인덴테이션 경도 (Hs) 에 대해 80 ％ 이상의 인덴테이션 경도를 갖는 영역이다. 여기서, 본 실시형태에서는, 회로층 (112) 의 일방의 면에 있어서의 인덴테이션 경도 (Hs) 가 50 mgf/μ㎡ 이상 200 mgf/μ㎡ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
본체층 (112B) 은, 그 인덴테이션 경도 (Hb) 가 상기 인덴테이션 경도 (Hs) 의 80 ％ 미만인 영역이 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 회로층 (112) 중 세라믹스 기판 (111) 과의 접합 계면 근방에는, 그 인덴테이션 경도 (Hc) 가 본체층 (112B) 의 인덴테이션 경도 (Hb) 보다 높은 계면 근방층 (112C) 이 형성되어 있다.
여기서, 본 실시형태에서는, 표면 경화층 (112A) 의 두께 (ts) 가 1 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하이고, 본체층 (112B) 의 두께 (tb) 가 100 ㎛ 이상 1500 ㎛ 이하, 계면 근방층 (112C) 의 두께 (tc) 가 50 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하로 되어 있다.
또, 표면 경화층 (112A) 은, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 함유하고 있고, 이 첨가 원소의 함유량의 합계가 0.2 atom％ 이상 10 atom％ 이하로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Ni 를 0.2 atom％ 이상 10 atom％ 이하 함유하고 있다.
회로층 (112) 에 있어서는, 그 일방의 면이 가장 첨가 원소의 함유량이 높게 되어 있고, 타방의 면측을 향함에 따라 함유량이 낮아지도록 구성되어 있다. 이 첨가 원소에 의해 회로층 (112) 의 일부가 경화되어, 상기 서술한 표면 경화층 (112A) 이 형성되어 있는 것이다.
한편, 본체층 (112B) 에서는, 상기 서술한 첨가 원소의 함유량이 적기 때문에 Al 의 순도가 높고, 변형 저항이 작은 상태이다.
또한, 세라믹스 기판 (111) 측에 위치하는 계면 근방층 (112C) 에 있어서는, 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122) 의 접합에 있어서 이용되는 원소가 확산됨으로써, 본체층보다 Al 의 순도가 낮게 되어 있다.
상세히 서술하면, 계면 근방층 (112C) 에 있어서는, Si, Cu, Ag 및 Ge 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 제 2 첨가 원소가 고용되어 있다. 여기서, 이 계면 근방층 (112C) 의 접합 계면측의 상기 제 2 첨가 원소 농도의 합계가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
본 실시형태에서는, Cu 와 Ge 를 제 2 첨가 원소로서 이용하고 있고, 계면 근방층 (112C) 의 Cu 농도가 0.05 질량％ 이상 1 질량％ 이하, Ge 농도가 0.05 질량％ 이상 1 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
또한, 계면 근방층 (112C) 의 상기 제 2 첨가 원소 농도는, EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해, 접합 계면으로부터 50 ㎛ 까지의 범위 내를 5 점 측정한 평균값이다. 이 EPMA 분석에서는, 스폿 직경의 전체가 접합 계면으로부터 50 ㎛ 까지의 범위 내에 들어가도록 하여 분석을 실시하였다.
또, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (금속판 (122)) 의 접합 계면 (130) 에는, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb 및 Mo 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 원소가 개재되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 활성 원소로서 Hf 가 개재되어 있다.
여기서, 접합 계면 (130) 부분에는, 도 9 에 나타내는 바와 같이 활성 금속인 Hf 와 산소를 함유하는 산소 화합물로 이루어지는 산화물층 (132) 이 형성되어 있다. 이 산화물층 (132) 은, 활성 금속인 Hf 와 Al2O3 으로 이루어지는 세라믹 기판 (111) 의 산소가 반응함으로써 발생한 것이다. 이 산화물층 (132) 의 두께 (H) 는, 예를 들어 0.1 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하로 되어 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 금속층 (113) 이 되는 금속판 (123) 과 세라믹스 기판 (111) 의 접합에 대해서도, 회로층 (112) 이 되는 금속판 (122) 과 세라믹스 기판 (111) 과 동일하게 실시되고, 접합 계면 부분에 산화물층이 형성되어 있고, 금속층 (113) 의 접합 계면 근방에도 제 2 첨가 원소가 고용되어 있다.
이하에, 전술한 구성의 파워 모듈용 기판 (110) 의 제조 방법에 대하여, 도 10 및 도 11 을 참조하여 설명한다.
(제 1 고착 공정 S11)
먼저, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (112) 이 되는 금속판 (122) 의 일방의 면에, 스퍼터링에 의해, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, 이 첨가 원소를 함유하는 고착층 (122A) 을 형성한다.
본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Ni 를 고착시키고 있고, 그 고착량을 0.05 ㎎/㎠ 이상 2.0 ㎎/㎠ 이하로 설정하고 있다.
(제 2 고착 공정 S12)
다음으로, 금속판 (122, 123) 의 각각의 접합면에, 스퍼터링에 의해, 제 2 첨가 원소인 Cu 및 Ge, 그리고, 활성 원소인 Hf 를 고착시켜, 제 2 고착층 (124, 125) 을 형성한다.
본 실시형태에서는, 제 2 고착층 (124, 125) 에 있어서의 Cu 량은 0.08 ㎎/㎠ 이상 2.7 ㎎/㎠ 이하, Ge 량은 0.002 ㎎/㎠ 이상 2.5 ㎎/㎠ 이하, Hf 량은 0.1 ㎎/㎠ 이상 6.7 ㎎/㎠ 이하로 설정되어 있다.
(적층 공정 S13)
다음으로, 금속판 (122) 을 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면측에 적층하고, 또한, 금속판 (123) 을 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면측에 적층한다. 이 때, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (122, 123) 중 제 2 고착층 (124, 125) 이 형성된 면이 세라믹스 기판 (111) 을 향하도록 적층한다. 즉, 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 사이에 제 2 고착층 (124, 125) 을 개재시키고 있는 것이다. 이와 같이 하여 적층체 (120) 를 형성한다.
(가열 공정 S14)
다음으로, 적층 공정 S13 에 있어서 형성된 적층체 (120) 를, 그 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 5 kgf/㎠) 한 상태에서 가열로 내에 장입하고 가열하여, 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 의 계면에 각각 용융 금속 영역을 형성한다. 이 용융 금속 영역 (1) 은, 제 2 고착층 (124, 125) 의 Cu 및 Ge 가 금속판 (122, 123) 측으로 확산됨으로써, 금속판 (122, 123) 의 제 2 고착층 (124, 125) 근방의 Cu 농도, Ge 농도가 상승하여 융점이 낮아짐으로써 형성되는 것이다.
이 때, 활성 금속인 Hf 는, 세라믹스 기판 (111) 을 구성하는 Al2O3 과 반응하여, Hf 와 산소를 함유하는 산소 화합물 (예를 들어 HfO2) 이 생성되어, 산화물층 (132) 이 형성되게 된다.
또, 이 가열 공정 S14 에 의해, 금속판 (122) 의 고착층 (122A) 에 함유된 첨가 원소 (본 실시형태에서는 Ni) 가 금속판 (122) 의 타방의 면측을 향하여 확산되어 간다.
또한, 본 실시형태에서는, 가열로 내의 분위기를 N2 가스 분위기로 하고 있고, 가열 온도는 550 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
(응고 공정 S15)
다음으로, 용융 금속 영역이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지시켜 둔다. 그렇게 하면, 용융 금속 영역 중의 Cu, Ge 가, 더욱 금속판 (122, 123) 측으로 확산되어 가게 된다. 이로써, 용융 금속 영역이었던 부분의 Cu 농도, Ge 농도가 서서히 저하되어 가 융점이 상승하게 되어, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 가게 된다. 요컨대, 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122, 123) 은, 이른바 등온 확산 접합 (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding) 에 의해 접합되어 있는 것이다. 이와 같이 하여 응고가 진행된 후에, 상온까지 냉각을 실시한다.
이와 같이 하여, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 이 되는 금속판 (122, 123)과 세라믹스 기판 (111) 이 접합되어, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 이 제조된다.
또, 회로층 (112) 에 있어서는, 고착층 (122A) 에 함유된 첨가 원소가 확산됨으로써 표면 경화층 (112A) 및 본체층 (112B) 이 형성된다. 또, 제 2 고착층 (124) 에 함유되는 Cu 및 Ge 가 확산됨으로써 접합 근방층 (112C) 이 형성된다.
그리고, 이 파워 모듈용 기판 (110) 의 금속층 (113) 의 타방의 면측에, 히트싱크 (140) 가 납땜 등에 의해 접합되어, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판이 형성된다. 또, 회로층 (112) 의 표면에 땜납층 (2) 을 개재하여 반도체 칩 (3) 을 탑재함으로써 본 실시형태인 파워 모듈 (101) 이 제출된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 및 파워 모듈 (101) 에 있어서는, 회로층 (112) 의 일방의 면에 표면 경화층 (112A) 이 형성되어 있으므로, 회로층 (112) 의 일방의 면측 부분의 변형 저항이 커져, 열사이클 부하시에 있어서의 기복이나 주름의 발생을 억제할 수 있게 된다. 또, 회로층 (112) 에, 전술한 표면 경화층 (112A) 보다 인덴테이션 경도가 낮은 본체층 (112B) 을 갖고 있으므로, 열사이클 부하시의 열응력을 이 본체층 (112B) 의 변형에 의해 흡수할 수 있게 된다. 따라서, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) 의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 금속판 (122, 123) 의 접합면에 제 2 첨가 원소로서 Cu, Ge 를 고착시키는 제 2 고착 공정 S12 를 구비하고 있으므로, 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 의 접합 계면 (130) 에는, Cu 및 Ge 가 개재되게 된다.
그리고, 세라믹스 기판 (111) 이 Al2O3 으로 구성되어 있고, 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 의 접합 계면 (130) 에, 활성 원소로서 Hf 가 개재되어 있고, 보다 구체적으로는, 접합 계면 (130) 에 Hf 와 산소를 함유하는 산소 화합물로 이루어지는 산화물층 (132) 이 형성되어 있으므로, 이 산화물층 (132) 에 의해 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122, 123) 의 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 이 산화물층 (132) 은, 활성 원소인 Hf 와 세라믹스 기판 (111) 의 산소와의 반응에 의해 생성되어 있기 때문에 세라믹스 기판 (111) 의 접합 강도는 매우 높다.
또, 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122, 123) 의 계면에 용융 금속 영역을 형성하는 가열 공정 S14 에 있어서, 고착층 (122A) 의 첨가 원소를 확산시키고 있으므로, 특별한 열처리 공정을 실시할 필요가 없어, 이 파워 모듈용 기판 (110) 의 제조 비용을 낮게 억제할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판에 대하여 도 12 및 도 13 을 이용하여 설명한다.
본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 은, 세라믹스 기판 (211) 과, 이 세라믹스 기판 (211) 의 일방의 면 (도 12 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (212) 과, 세라믹스 기판 (211) 의 타방의 면 (도 12 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (213) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (211) 은, 회로층 (212) 과 금속층 (213) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것이다. 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (211) 은 절연성이 높은 Si3N4 (질화 규소) 로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (211) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.32 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (212) 은, 세라믹스 기판 (211) 의 일방의 면에 도전성을 갖는 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (212) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판이 세라믹스 기판 (211) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
금속층 (213) 은, 세라믹스 기판 (211) 의 타방의 면에 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (213) 은, 회로층 (212) 과 동일하게, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판이 세라믹스 기판 (211) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
그리고, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (212) 은, 그 일방의 면 (도 12 에 있어서 상면) 측에 배치 형성된 표면 경화층 (212A) 과, 이 표면 경화층 (212A) 의 타방의 면측에 위치하는 본체층 (212B) 을 구비하고 있다.
표면 경화층 (212A) 은, 회로층 (212) 의 일방의 면에 드러나고, 이 일방의 면으로부터 타방의 면측 (도 12 에 있어서 하측) 을 향하여 연장되어 있고, 회로층 (212) 의 일방의 면에 있어서의 인덴테이션 경도 (Hs) 에 대해 80 ％ 이상의 인덴테이션 경도를 갖는 영역이다. 여기서, 본 실시형태에서는, 회로층 (212) 의 일방의 면에 있어서의 인덴테이션 경도 (Hs) 가 50 mgf/μ㎡ 이상 200 mgf/μ㎡ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
본체층 (212B) 은, 그 인덴테이션 경도 (Hb) 가 상기 인덴테이션 경도 (Hs) 의 80 ％ 미만인 영역이 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 회로층 (212) 중 세라믹스 기판 (211) 과의 접합 계면 근방에는, 그 인덴테이션 경도 (Hc) 가 본체층 (212B) 의 인덴테이션 경도 (Hb) 보다 높은 계면 근방층 (212C) 이 형성되어 있다.
여기서, 본 실시형태에서는, 표면 경화층 (212A) 의 두께 (ts) 가 1 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하이고, 본체층 (212B) 의 두께 (tb) 가 100 ㎛ 이상 1500 ㎛ 이하, 계면 근방층 (212C) 의 두께 (tc) 가 50 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하로 되어 있다.
또, 표면 경화층 (212A) 은, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 함유하고 있고, 이 첨가 원소의 함유량의 합계가 0.2 atom％ 이상 10 atom％ 이하로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Ni 를 0.2 atom％ 이상 10 atom％ 이하 함유하고 있다.
회로층 (212) 에 있어서는, 그 일방의 면이 가장 첨가 원소의 함유량이 많고, 타방의 면측을 향함에 함유량이 낮아지도록 구성되어 있다. 이 첨가 원소에 의해 회로층 (212) 의 일부가 경화되어, 상기 서술한 표면 경화층 (212A) 이 형성되어 있는 것이다.
한편, 본체층 (212B) 에서는, 상기 서술한 첨가 원소의 함유량이 적기 때문에 Al 의 순도가 높고, 변형 저항이 작은 상태이다.
또한, 세라믹스 기판 (211) 측에 위치하는 계면 근방층 (212C) 에 있어서는, 세라믹스 기판 (211) 과 금속판의 접합에 있어서 이용되는 원소가 확산됨으로써, 본체층 (212B) 보다 Al 의 순도가 낮게 되어 있다.
상세히 서술하면, 계면 근방층 (212C) 에 있어서는, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 제 2 첨가 원소가 고용되어 있다. 여기서, 이 계면 근방층 (212C) 의 상기 제 2 첨가 원소 농도의 합계가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
본 실시형태에서는, Si 및 Cu 를 제 2 첨가 원소로서 이용하고 있고, 계면 근방층 (212C) 의 Si 농도가 0.05 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하, Cu 농도가 0.05 질량％ 이상 1 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
또한, 계면 근방층 (212C) 의 상기 제 2 첨가 원소 농도는, EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해, 접합 계면으로부터 50 ㎛ 까지의 범위 내를 5 점 측정한 평균값이다. 이 EPMA 분석에서는, 스폿 직경의 전체가 접합 계면으로부터 50 ㎛ 까지의 범위 내에 들어가도록 하여 분석을 실시하였다.
또한, 본 실시형태에서는, 금속층 (213) 이 되는 금속판과 세라믹스 기판 (211) 의 접합에 대해서도, 회로층 (212) 이 되는 금속판과 세라믹스 기판 (211) 과 동일하게 실시되고, 금속층 (213) 의 접합 계면 근방에도 제 2 첨가 원소가 고용되어 있다.
이하에, 전술한 구성의 파워 모듈용 기판 (210) 의 제조 방법에 대하여, 도 13 의 플로우도를 참조하여 설명한다.
(제 1 고착 공정 S21)
먼저, 회로층 (212) 이 되는 금속판의 일방의 면에, 스퍼터링에 의해, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, 이 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성한다.
본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Ni 를 고착시키고 있고, 그 고착량을 0.05 ㎎/㎠ 이상 2.0 ㎎/㎠ 이하로 설정하고 있다.
(제 2 고착 공정 S22)
다음으로, 회로층 (212) 이 되는 금속판 및 금속층 (213) 이 되는 금속판의 각각의 접합면에, 스퍼터링에 의해, 제 2 첨가 원소인 Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 제 2 첨가 원소를 고착시켜, 제 2 고착층을 형성한다.
본 실시형태에서는, 제 2 첨가 원소로서 Cu 및 Si 를 이용하고 있고, 제 2 고착층에 있어서의 Cu 량은 0.08 ㎎/㎠ 이상 2.7 ㎎/㎠ 이하, Si 량은 0.002 ㎎/㎠ 이상 1.2 ㎎/㎠ 이하로 설정되어 있다.
(적층 공정 S23)
다음으로, 세라믹스 기판 (211) 과 금속판을 적층한다. 이 때, 금속판 중 제 2 고착층이 형성된 면이 세라믹스 기판 (211) 을 향하도록 적층한다. 즉, 금속판과 세라믹스 기판 (211) 사이에 제 2 고착층을 개재시키고 있는 것이다. 이와 같이 하여 적층체를 형성한다.
(가열 공정 S24)
다음으로, 적층 공정 S23 에 있어서 형성된 적층체를, 그 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 5 kgf/㎠) 한 상태에서 가열로 내에 장입하고 가열하여, 금속판과 세라믹스 기판 (211) 의 계면에 각각 용융 금속 영역을 형성한다. 이 용융 금속 영역은, 제 2 고착층의 Cu 및 Si 가 금속판측에 확산됨으로써, 금속판의 제 2 고착층 근방의 Cu 농도, Si 농도가 상승하여 융점이 낮아짐으로써 형성되는 것이다.
그리고, 이 가열 공정 S24 에 의해, 회로층 (212) 이 되는 금속판의 고착층에 함유된 첨가 원소 (본 실시형태에서는 Zr) 가 금속판의 타방의 면측을 향하여 확산되어 간다.
또한, 본 실시형태에서는, 가열로 내의 분위기를 N2 가스 분위기로 하고 있고, 가열 온도는 550 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
(응고 공정 S25)
다음으로, 용융 금속 영역이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지시켜 둔다. 그렇게 하면, 용융 금속 영역 중의 Cu, Si 가, 더욱 금속판측으로 확산되어 가게 된다. 이로써, 용융 금속 영역이었던 부분의 Cu 농도, Si 농도가 서서히 저하되어 가 융점이 상승하게 되어, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 가게 된다. 요컨대, 세라믹스 기판 (211) 과 금속판은, 이른바 등온 확산 접합 (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding) 에 의해 접합되어 있는 것이다. 이와 같이 하여 응고가 진행된 후에, 상온까지 냉각을 실시한다.
이와 같이 하여, 회로층 (212) 및 금속층 (213) 이 되는 금속판과 세라믹스 기판 (211) 이 접합되어, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 이 제조된다.
또, 회로층 (212) 에 있어서는, 고착층에 함유된 첨가 원소가 확산됨으로써 표면 경화층 (212A) 및 본체층 (212B) 이 형성된다. 또, 제 2 고착층에 함유되는 Cu 및 Si 가 확산됨으로써 접합 근방층 (212C) 이 형성된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 에 있어서는, 회로층 (212) 의 일방의 면에 표면 경화층 (212A) 이 형성되어 있으므로, 열사이클 부하시에 있어서의 기복이나 주름의 발생을 억제할 수 있게 된다. 또, 회로층 (212) 은, 표면 경화층 (212A) 보다 경도가 낮은 본체층 (212B) 을 갖고 있으므로, 열사이클 부하시의 열응력을 이 본체층 (212B) 의 변형에 의해 흡수할 수 있게 된다.
또, 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (211) 과 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 형성하는 가열 공정 S24 에 있어서, 회로층 (212) 이 되는 금속판에 형성된 고착층의 첨가 원소를 확산시키고 있으므로, 특별한 열처리 공정을 실시할 필요없이 표면 경화층 (212A) 를 형성할 수 있어, 이 파워 모듈용 기판 (210) 의 제조 비용을 낮게 억제할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 4 실시형태인 파워 모듈용 기판에 대하여 도 14 및 도 15 를 이용하여 설명한다.
본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (310) 은, 세라믹스 기판 (311) 과, 이 세라믹스 기판 (311) 의 일방의 면 (도 14 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (312) 과, 세라믹스 기판 (311) 의 타방의 면 (도 14 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (313) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (311) 은, 회로층 (312) 과 금속층 (313) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것이다. 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (311) 은 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (311) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (312) 은, 세라믹스 기판 (311) 의 일방의 면에 도전성을 갖는 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (312) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판이 세라믹스 기판 (311) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
금속층 (313) 은, 세라믹스 기판 (311) 의 타방의 면에 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (313) 은, 회로층 (312) 과 동일하게, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판이 세라믹스 기판 (311) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
그리고, 도 14 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (312) 은, 그 일방의 면 (도 14 에 있어서 상면) 측에 배치 형성된 표면 경화층 (312A) 과, 이 표면 경화층 (312A) 의 타방의 면측에 위치하는 본체층 (312B) 을 구비하고 있다.
표면 경화층 (312A) 은, 회로층 (312) 의 일방의 면에 드러나고, 이 일방의 면으로부터 타방의 면측 (도 14 에 있어서 하측) 을 향하여 연장되어 있고, 회로층 (312) 의 일방의 면에 있어서의 인덴테이션 경도 (Hs) 에 대해 80 ％ 이상의 인덴테이션 경도를 갖는 영역이다. 여기서, 본 실시형태에서는, 회로층 (312) 의 일방의 면에 있어서의 인덴테이션 경도 (Hs) 가 50 mgf/μ㎡ 이상 200 mgf/μ㎡ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
본체층 (312B) 은, 그 인덴테이션 경도 (Hb) 가 상기 인덴테이션 경도 (Hs) 의 80 ％ 미만인 영역이 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 회로층 (312) 중 세라믹스 기판 (311) 과의 접합 계면 근방에는, 그 인덴테이션 경도 (Hc) 가 본체층 (312B) 의 인덴테이션 경도 (Hb) 보다 높은 계면 근방층 (312C) 이 형성되어 있다.
여기서, 본 실시형태에서는, 표면 경화층 (312A) 의 두께 (ts) 가 1 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하이고, 본체층 (312B) 의 두께 (tb) 가 100 ㎛ 이상 1500 ㎛ 이하, 계면 근방층 (312C) 의 두께 (tc) 가 50 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하로 되어 있다.
또, 표면 경화층 (312A) 은, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 함유하고 있고, 이 첨가 원소의 함유량의 합계가 0.2 atom％ 이상 10 atom％ 이하로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Ni 를 0.2 atom％ 이상 10 atom％ 이하 함유하고 있다.
회로층 (312) 에 있어서는, 그 일방의 면이 가장 첨가 원소의 함유량이 높게 되어 있고, 타방의 면측을 향함에 따라 함유량이 낮아지도록 구성되어 있다. 이 첨가 원소에 의해 회로층 (312) 의 일부가 경화되어, 상기 서술한 표면 경화층 (312A) 이 형성되어 있는 것이다.
한편, 본체층 (312B) 에서는, 상기 서술한 첨가 원소의 함유량이 적기 때문에 Al 의 순도가 높고, 변형 저항이 작은 상태이다.
또한, 세라믹스 기판 (311) 측에 위치하는 계면 근방층 (312C) 에 있어서는, 세라믹스 기판 (311) 과 금속판의 접합에 있어서 이용되는 원소가 확산됨으로써, 본체층 (312B) 보다 Al 의 순도가 낮게 되어 있다.
상세히 서술하면, 계면 근방층 (312C) 에 있어서는, Al-Si 계의 납재에 함유되는 Si 가 고용되어 있다.
이하에, 전술한 구성의 파워 모듈용 기판 (310) 의 제조 방법에 대하여, 도 15 의 플로우도를 참조하여 설명한다.
(적층 공정 S31)
먼저, 세라믹스 기판 (311) 의 일면측에, 회로층 (312) 이 되는 금속판을, 두께 15 ∼ 30 ㎛ (본 실시형태에서는 20 ㎛) 의 납재박을 개재하여 적층하고, 세라믹스 기판 (311) 의 타면측에, 금속층 (13) 이 되는 금속판을 두께 15 ∼ 30 ㎛ (본 실시형태에서는 20 ㎛) 의 납재박을 개재하여 적층하여 적층체를 형성한다. 또한, 본 실시형태에 있어서는, 납재박은, 융점 강하 원소인 Si 를 함유한 Al-Si 계의 납재로 되어 있다.
(접합 가열 공정 S32)
다음으로, 적층 공정 S31 에 있어서 형성된 적층체를, 그 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 5 kgf/㎠) 한 상태에서 가열로 내에 장입하고 가열하여, 금속판과 세라믹스 기판 (311) 의 계면에 각각 용융 금속 영역을 형성한다.
또한, 본 실시형태에서는, 가열로 내의 분위기를 N2 가스 분위기로 하고 있고, 가열 온도는 550 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
(응고 공정 S33)
다음으로, 적층체를 냉감시킴으로써 용융 금속 영역을 응고시켜, 세라믹스 기판 (311) 과 금속판을 접합한다. 이와 같이 하여, 회로층 (312) 및 금속층 (313) 이 되는 금속판과 세라믹스 기판 (311) 이 접합된다. 이 때, 납재박에 함유되는 Si 가 확산됨으로써, 회로층 (312) 에는, 접합 근방층 (312C) 이 형성된다.
(고착 공정 S34)
다음으로, 회로층 (312) 의 일방의 면에, 스퍼터링에 의해, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, 이 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성한다.
본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Ni 를 고착시키고 있고, 그 고착량을 0.05 ㎎/㎠ 이상 2.0 ㎎/㎠ 이하로 설정하고 있다.
(가열 공정 S35)
그리고, 고착층이 형성된 회로층 (312) 을, 접합된 세라믹스 기판 (311) 및 금속층 (313) 과 함께 가열로에 의해 가열한다. 이 때의 가열 온도는, 상기 서술한 접합 가열 공정 S32 보다 낮은 온도가 된다.
이 가열 공정 S35 에 의해, 금속판의 고착층에 함유된 첨가 원소 (본 실시형태에서는) 가 금속판의 타방의 면측을 향하여 확산되어 간다. 이로써, 회로층 (312) 에는, 고착층에 함유된 첨가 원소가 확산됨으로써 표면 경화층 (312A) 및 본체층 (312B) 이 형성되고, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (310) 이 제출된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (310) 에 있어서는, 회로층 (312) 의 일방의 면에 표면 경화층 (312A) 이 형성되어 있으므로, 열사이클 부하시에 있어서의 기복이나 주름의 발생을 억제할 수 있게 된다. 또, 회로층 (312) 은, 표면 경화층 (312A) 보다 경도가 낮은 본체층 (312B) 을 갖고 있으므로, 열사이클 부하시의 열응력을 이 본체층 (312B) 의 변형에 의해 흡수할 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명의 제 5 실시형태인 파워 모듈용 기판에 대하여 도 16 및 도 17 을 이용하여 설명한다.
본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (410) 은, 세라믹스 기판 (411) 과, 이 세라믹스 기판 (411) 의 일방의 면 (도 16 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (412) 과, 세라믹스 기판 (411) 의 타방의 면 (도 16 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (413) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (411) 은, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있고, 그 두께가 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (412) 은, 세라믹스 기판 (411) 의 일방의 면에 도전성을 갖는 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (412) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판이 세라믹스 기판 (411) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
금속층 (413) 은, 세라믹스 기판 (411) 의 타방의 면에 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (413) 은, 회로층 (412) 과 동일하게, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판이 세라믹스 기판 (411) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
그리고, 도 16 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (412) 은, 그 일방의 면 (도 16 에 있어서 상면) 측에 배치 형성된 표면 경화층 (412A) 과, 이 표면 경화층 (412A) 의 타방의 면측에 위치하는 본체층 (412B) 을 구비하고 있다.
표면 경화층 (412A) 은, 회로층 (412) 의 일방의 면에 드러나고, 이 일방의 면으로부터 타방의 면측 (도 16 에 있어서 하측) 을 향하여 연장되어 있고, 회로층 (412) 의 일방의 면에 있어서의 인덴테이션 경도 (Hs) 에 대해 80 ％ 이상의 인덴테이션 경도를 갖는 영역이다. 여기서, 본 실시형태에서는, 회로층 (412) 의 일방의 면에 있어서의 인덴테이션 경도 (Hs) 가 50 mgf/μ㎡ 이상 200 mgf/μ㎡ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
본체층 (412B) 은, 그 인덴테이션 경도 (Hb) 가 상기 인덴테이션 경도 (Hs) 의 80 ％ 미만인 영역이 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 회로층 (412) 중 세라믹스 기판 (411) 과의 접합 계면 근방에는, 그 인덴테이션 경도 (Hc) 가 본체층 (412B) 의 인덴테이션 경도 (Hb) 보다 높은 계면 근방층 (412C) 이 형성되어 있다.
여기서, 본 실시형태에서는, 표면 경화층 (412A) 의 두께 (ts) 가 1 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하이고, 본체층 (412B) 의 두께 (tb) 가 100 ㎛ 이상 1500 ㎛ 이하, 계면 근방층 (412C) 의 두께 (tc) 가 50 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하로 되어 있다.
또, 표면 경화층 (412A) 은, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 함유하고 있고, 이 첨가 원소의 함유량의 합계가 0.2 atom％ 이상 10 atom％ 이하로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Ni 를 0.2 atom％ 이상 10 atom％ 이하 함유하고 있다.
회로층 (412) 에 있어서는, 그 일방의 면이 가장 첨가 원소의 함유량이 높게 되어 있고, 타방의 면측을 향함에 따라 함유량이 낮아지도록 구성되어 있다. 이 첨가 원소에 의해 회로층 (412) 의 일부가 경화되어, 상기 서술한 표면 경화층 (412A) 이 형성되어 있는 것이다.
한편, 본체층 (412B) 에서는, 상기 서술한 첨가 원소의 함유량이 적기 때문에 Al 의 순도가 높고, 변형 저항이 작은 상태이다.
또한, 세라믹스 기판 (411) 측에 위치하는 계면 근방층 (412C) 에 있어서는, 세라믹스 기판 (411) 과 금속판의 접합에 있어서 이용되는 원소가 확산됨으로써, 본체층 (412B) 보다 Al 의 순도가 낮게 되어 있다. 본 실시형태에서는, 계면 근방층 (412C) 에는, Al-Si 계의 납재에 함유되는 Si 가 고용되어 있다.
이하에, 전술한 구성의 파워 모듈용 기판 (410) 의 제조 방법에 대하여, 도 17 의 플로우도를 참조하여 설명한다.
(고착 공정 S41)
먼저, 고착층이 되는 금속판의 일방의 면에, 스퍼터링에 의해, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, 이 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성한다.
본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Ni 를 고착시키고 있고, 그 고착량을 0.05 ㎎/㎠ 이상 2.0 ㎎/㎠ 이하로 설정하고 있다.
(가열 공정 S42)
다음으로, 고착층이 형성된 금속판을 가열로에 의해 가열한다. 이 때의 가열 온도는, 150 ℃ ∼ 600 ℃ 로 설정되어 있다.
이 가열 공정 S42 에 의해, 금속판의 고착층에 함유된 첨가 원소 (본 실시형태에서는 Ni) 가 금속판의 타방의 면측을 향하여 확산되어 간다. 이로써, 회로층이 되는 금속판에는, 표면 경화층 (412A), 본체층 (412B) 이 형성되게 된다.
(적층 공정 S43)
다음으로, 세라믹스 기판 (411) 의 일면측에, 첨가 원소를 확산시킨 금속판을, 두께 15 ∼ 30 ㎛ (본 실시형태에서는 20 ㎛) 의 납재박을 개재하여 적층하고, 세라믹스 기판 (311) 의 타면측에, 금속층 (413) 이 되는 금속판을 두께 15 ∼ 30 ㎛ (본 실시형태에서는 20 ㎛) 의 납재박을 개재하여 적층하여 적층체를 형성한다. 또한, 본 실시형태에 있어서는, 납재박은, 융점 강하 원소인 Si 를 함유한 Al-Si 계의 납재로 되어 있다.
(접합 가열 공정 S44)
다음으로, 적층 공정 S43 에 있어서 형성된 적층체를, 그 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 5 kgf/㎠) 한 상태에서 가열로 내에 장입하고 가열하여, 금속판과 세라믹스 기판 (411) 의 계면에 각각 용융 금속 영역을 형성한다.
또한, 본 실시형태에서는, 가열로 내의 분위기를 N2 가스 분위기로 하고 있고, 가열 온도는 550 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로 설정하고 있다. 즉, 전술한 가열 공정 S42 보다 낮은 온도로 되어 있는 것이다.
(응고 공정 S45)
다음으로, 적층체를 냉감시킴으로써 용융 금속층을 응고시켜, 세라믹스 기판 (411) 과 금속판을 접합한다. 이와 같이 하여, 회로층 (412) 및 금속층 (413) 이 되는 금속판과 세라믹스 기판 (411) 이 접합된다. 이 때, 납재박에 함유되는 Si 가 확산됨으로써, 회로층 (412) 에는, 접합 근방층 (412C) 이 형성된다.
이와 같이 하여, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (410) 이 제출된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (410) 에 있어서는, 회로층 (412) 의 일방의 면에 표면 경화층 (412A) 이 형성되어 있으므로, 열사이클 부하시에 있어서의 기복이나 주름의 발생을 억제할 수 있게 된다. 또, 회로층 (412) 은, 표면 경화층 (412A) 보다 경도가 낮은 본체층 (412B) 을 갖고 있으므로, 열사이클 부하시의 열응력을 이 본체층 (412B) 의 변형에 의해 흡수할 수 있게 된다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경할 수 있다.
예를 들어, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 스퍼터에 의해 고착시키는 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 도금, 증착, CVD, 콜드 스프레이, 또는, 상기 첨가 원소를 함유하는 분말이 분산된 페이스트 혹은 잉크의 도포에 의해 첨가 원소를 고착시켜도 된다.
또, Al 과 함께 첨가 원소, 제 2 첨가 원소, 활성 원소를 고착시켜도 된다. 이 경우, Ca 및 Li 등의 산화되기 쉬운 원소여도 확실하게 고착시킬 수 있게 된다. 또한, 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시키려면, 상기 첨가 원소와 Al 을 동시에 증착시켜도 되고, 상기 첨가 원소와 Al 의 합금을 타깃으로서 이용하여 스퍼터링을 실시해도 된다.
또, 히트싱크를 알루미늄으로 구성한 것으로서 설명했지만, 알루미늄 합금, 또는 알루미늄을 포함하는 복합재 등으로 구성되어 있어도 된다. 또한, 히트싱크로서 냉각 매체의 유로를 갖는 것으로 설명했지만, 히트싱크의 구조에 특별히 한정되지 않고, 여러 가지의 구성의 히트싱크를 사용할 수 있다.
또, 제 2, 제 3 실시형태에 있어서, 세라믹스 기판과 금속판의 접합을, N2 분위기의 가열로를 이용하여 실시하는 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 진공로를 이용하여 세라믹스 기판과 금속판의 접합을 실시해도 된다. 이 경우의 진공도는, 10-6 ∼ 10-3 Pa 의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
또한, 제 2 실시형태에 있어서, 세라믹스 기판으로서 Al2O3 을 사용하고, 세라믹스 기판과 금속판의 접합 계면에 활성 원소를 함유하는 산화물층을 형성한 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 세라믹스 기판으로서 AlN 이나 Si3N4 를 사용하고, 세라믹스 기판과 금속판의 접합 계면에 활성 원소를 함유하는 질화물층을 형성한 것이어도 된다.
실시예
본 발명의 유효성을 확인하기 위해 실시한 비교 실험에 대하여 설명한다.
먼저, 두께 0.6 ㎜ 의 4 N 알루미늄으로 이루어지는 금속판의 일방의 면에, 표 1 에 나타내는 첨가 원소를 고착시키고, 가열함으로써 표면 경화층 및 본체층을 형성하였다. 표 1 에 첨가 원소의 고착량, 가열 조건을 나타낸다.
Figure pat00001
금속판에 형성된 표면 경화층 및 본체층에 대하여, 표면 경화층의 일방의 면에 있어서의 인덴테이션 경도 (Hs), 표면 경화층의 두께, 본체층의 인덴테이션 경도 (Hb), 본체층의 두께를 평가하였다. 또한, 본체층의 인덴테이션 경도 (Hb) 는, 금속판의 면 중앙에 있어서의 금속판의 두께 방향 중앙부를 측정하였다.
또, 표면 경화층을 형성하지 않은 4 N 알루미늄으로 이루어지는 금속판을 비교예 1 로 하였다. 또한, Si 를 1 질량％ 함유하는 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속판을 비교예 2 로 하였다. 이들 비교예 1A, 2A 에 대해서도, 상기 서술한 표면 경화층의 일방의 면에 상당하는 위치, 및 본체층에 상당하는 위치에서, 각각 인덴테이션 경도를 측정하였다. 결과를 표 2 에 나타낸다.
시료 1 - 9 에 대하여, 모두 금속판의 표면에 표면 경화층이 형성되고, 그 표면 경화층에 적층되도록, 표면 경화층보다 경도가 낮은 본체층이 형성되었다.
다음으로, 두께 0.635 ㎜ 의 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판에, 회로층으로서 두께 0.6 ㎜ 의 금속판, 및 금속층으로서 두께 0.6 ㎜ 의 4 N 알루미늄으로 이루어지는 금속판을, Al-Si 계의 납재를 이용하여 접합하여 파워 모듈용 기판을 제조하였다.
여기서, 표 1 및 표 2 의 시료 1, 2 의 금속판을 이용하여 회로층을 형성한 것을 본 발명예 1, 2 로 하였다.
또, 표 2 의 비교예 1A 의 금속판을 이용하여 회로층을 형성한 것을 비교예 1B 로 하였다. 또한, 표 2 의 비교예 2A 의 금속판을 이용하여 회로층을 형성한 것을 비교예 2B 로 하였다.
그리고, 이들 시험편을 이용하여 열사이클 시험을 실시하였다. 구체적으로는, 냉열 사이클 (-45 ℃ - 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후에, 시험편을 관찰하여, 회로층 표면의 기복 상태, 세라믹스 기판과 회로층 사이의 접합률을 평가하였다. 결과를 표 3 에 나타낸다.
또한, 기복에 대해서는, 반경이 2 ㎛ 인 구 형상 선단을 갖고, 테이퍼각이 90 °인 원추를 촉침으로서 사용하고, 2.5 (㎜/기준 길이) × 5 구간의 거리를, 하중 4 mN, 속도 1 ㎜/s 로 표면을 주사하여 구간 평균의 조도 곡선을 측정하여, 그 10 점 평균 조도 Rz (JIS B 0601-1994) 를 산출하였다.
또, 접합률은, 이하의 식에 의해 산출하였다. 여기서, 「초기 접합 면적」이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 하는 면적이다.
접합률 = (초기 접합 면적 - 박리 면적)/초기 접합 면적
Figure pat00003
비교예 1B 에서는, 접합률은 높지만 회로층의 표면에 기복이 확인되었다. 한편, 비교예 2B 에서는, 회로층 표면의 기복은 억제되었지만, 접합률이 낮아 접합 신뢰성이 떨어졌다.
이에 대해, 표면 경화층을 형성한 본 발명예 1, 2 에 있어서는, 회로층 표면의 기복이 억제되고, 또한 접합률도 높았다.
1, 101 : 파워 모듈
3 : 반도체 칩 (전자 부품)
10, 110, 210, 310, 410 : 파워 모듈용 기판
11, 111, 211, 311, 411 : 세라믹스 기판
12, 112, 212, 312, 412 : 회로층
12A, 112A, 212A, 312A, 412A : 표면 경화층
12B, 112B, 212B, 312B, 412B : 본체층
40, 140 : 히트싱크

Claims (12)

  1. 세라믹스 기판의 일면에, 알루미늄으로 이루어지는 회로층이 배치 형성되고, 이 회로층의 일방의 면 상에 전자 부품이 배치 형성되는 파워 모듈용 기판으로서,
    상기 회로층은, 본체층과, 상기 일방의 면측에 드러나도록 배치된 표면 경화층을 갖고 있고,
    상기 회로층의 상기 일방의 면에 있어서의 인덴테이션 경도 (Hs) 가 50 mgf/μ㎡ 이상 200 mgf/μ㎡ 이하의 범위 내로 설정되고,
    상기 회로층 중, 상기 인덴테이션 경도 (Hs) 의 80 ％ 이상의 인덴테이션 경도를 갖는 영역이 상기 표면 경화층으로 되어 있고,
    상기 표면 경화층은, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 함유하고 있고,
    상기 본체층의 인덴테이션 경도 (Hb) 가, 상기 인덴테이션 경도 (Hs) 의 80 ％ 미만으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 경화층의 두께가 1 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하로 되어 있고, 상기 본체층의 두께가 100 ㎛ 이상 1500 ㎛ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 표면 경화층에 있어서의 상기 첨가 원소의 함유량의 합계가 0.2 atom％ 이상 10 atom％ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판이 AlN, Si3N4 또는 Al2O3 으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판을 제조하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 회로층이 되는 금속판의 상기 일방의 면에, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, 이 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성하는 고착 공정과,
    상기 회로층을 가열하여, 상기 회로층의 내부를 향하여 상기 첨가 원소를 확산시킴으로써, 상기 회로층의 상기 일방의 면에 표면 경화층을 형성하는 가열 공정을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판을 제조하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 회로층이 되는 금속판의 일방의 면에, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, 이 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성하는 고착 공정과,
    상기 금속판의 타방의 면측에, 납재를 개재하여 상기 세라믹스 기판을 적층하는 적층 공정과,
    적층된 상기 세라믹스와 상기 금속판을 적층 방향으로 가압함과 함께 가열하여, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 형성하는 가열 공정과,
    이 용융 금속 영역을 응고시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 접합하는 응고 공정을 갖고,
    상기 가열 공정에 있어서, 상기 고착층의 상기 첨가 원소를, 상기 회로층의 내부를 향하여 확산시킴으로써, 상기 회로층의 상기 일방의 면에 표면 경화층을 형성하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판을 제조하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 회로층이 되는 금속판의 일방의 면에, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, 이 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성하는 고착 공정과,
    상기 금속판의 타방의 면 또는 상기 세라믹스 기판의 일면 중 적어도 일방에, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 제 2 첨가 원소를 고착시켜 제 2 고착층을 형성하는 제 2 고착 공정과,
    상기 제 2 고착층을 개재하여, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 적층하는 적층 공정과,
    적층된 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 적층 방향으로 가압함과 함께 가열하여, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 형성하는 가열 공정과,
    이 용융 금속 영역을 응고시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 접합하는 응고 공정을 갖고,
    상기 가열 공정에 있어서, 상기 고착층의 상기 첨가 원소를, 상기 회로층의 내부를 향하여 확산시킴으로써, 상기 회로층의 상기 일방의 면에 표면 경화층을 형성하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판을 제조하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 회로층이 되는 금속판의 일방의 면에, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li 및 Ni 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, 이 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성하는 고착 공정과,
    상기 금속판의 타방의 면 또는 상기 세라믹스 기판의 일면 중 적어도 일방에, Si, Cu, Ag 및 Ge 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 제 2 첨가 원소와, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb 및 Mo 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 원소를 고착시켜, 이들 제 2 첨가 원소 및 활성 원소를 함유하는 제 2 고착층을 형성하는 제 2 고착 공정과,
    상기 제 2 고착층을 개재하여, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 적층하는 적층 공정과,
    적층된 상기 세라믹스와 상기 금속판을 적층 방향으로 가압함과 함께 가열하여, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 형성하는 가열 공정과,
    이 용융 금속 영역을 응고시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 접합하는 응고 공정을 갖고,
    상기 금속판에 상기 첨가 원소를 확산시킴으로써, 상기 금속판의 표층에 금속 경화층을 형성하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  9. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고착 공정에서는, 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  10. 제 5 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고착 공정은, 도금, 증착, CVD, 스퍼터링, 콜드 스프레이, 또는 상기 첨가 원소를 함유하는 분말이 분산된 페이스트 혹은 잉크의 도포에 의해 상기 첨가 원소를 고착시켜, 상기 고착층을 형성하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 이 파워 모듈용 기판을 냉각시키는 히트싱크를 구비한 것을 특징으로 하는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
  12. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 이 파워 모듈용 기판 상에 탑재되는 전자 부품을 구비한 것을 특징으로 하는 파워모듈.
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