KR20140127228A - 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 및 동 부재 접합용 페이스트 - Google Patents

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요시유키 나가토모
기미히토 니시카와
요시로우 구로미츠
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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

이 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판 (11) 의 표면에 동 또는 동 합금으로 이루어지는 동판이 적층되어 접합되고, 상기 동판과 상기 세라믹스 기판 (11) 사이에 있어서, 상기 세라믹스 기판 (11) 의 표면에 질화물층 (31) 이 형성되고, 상기 질화물층과 상기 동판 사이에는, 두께가 15 ㎛ 이하인 Ag-Cu 공정 조직층 (32) 이 형성되어 있다.

Description

파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 및 동 부재 접합용 페이스트{SUBSTRATE FOR POWER MODULES, SUBSTRATE WITH HEAT SINK FOR POWER MODULES, POWER MODULE, METHOD FOR PRODUCING SUBSTRATE FOR POWER MODULES, AND PASTE FOR BONDING COPPER MEMBER}
이 발명은, 대전류, 고전압을 제어하는 반도체 장치에 사용되는 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 및 동 부재 접합용 페이스트에 관한 것이다.
본원은, 2012년 2월 1일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2012-020171호, 2012년 2월 1일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2012-020172호, 2012년 12월 6일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2012-267298호, 및 2012년 12월 6일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2012-267299호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그들의 내용을 여기에 원용한다.
반도체 소자 중에서도, 전력 공급을 위한 파워 모듈은, 발열량이 비교적 높기 때문에, 이것을 탑재하는 기판으로는, 예를 들어, AlN (질화알루미늄), Al2O3 (알루미나), Si3N4 (질화규소) 등으로 이루어지는 세라믹스 기판과, 상기 세라믹스 기판의 일방의 면측에 제 1 금속판이 접합되어 구성된 회로층과, 세라믹스 기판의 타방의 면측에 제 2 금속판이 접합되어 구성된 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판이 사용된다.
이와 같은 파워 모듈 기판에서는, 상기 회로층 상에 땜납재를 개재하여 파워 소자 등의 반도체 소자가 탑재된다.
특허문헌 1 에는, 제 1 금속판 (회로층) 및 제 2 금속판 (금속층) 으로서 알루미늄판을 사용하여 이루어지는 파워 모듈용 기판이 제안되어 있다.
특허문헌 2, 3 에는, 제 1 금속판 (회로층) 및 제 2 금속판 (금속층) 을 동판으로 하고, 상기 동판을 Ag-Cu-Ti 계의 납재를 사용한 활성 금속법에 의해 세라믹스 기판에 접합하여 이루어지는 파워 모듈용 기판이 제안되어 있다.
일본 특허 제3171234호 일본 공개특허공보 소60-177634호 일본 특허 제3211856호
특허문헌 1 에 기재된 파워 모듈용 기판에 있어서는, 회로층을 구성하는 제 1 금속판으로서 알루미늄판이 사용되고 있다. 동과 비교하면, 알루미늄의 열전도율은 낮기 때문에, 회로층으로서 알루미늄판을 사용한 경우에는, 동판을 사용한 경우에 비해 회로층 상에 탑재된 전기 부품 등의 발열체로부터의 열을 확산하여 방산시킬 수 없다. 이 때문에, 전자 부품의 소형화나 고출력화에 의해, 파워 밀도가 상승한 경우에는, 열을 충분히 방산시킬 수 없게 될 우려가 있었다.
특허문헌 2, 3 에 있어서는, 회로층을 동판으로 구성하고 있으므로, 회로층 상에 탑재된 전기 부품 등의 발열체로부터의 열을 효율적으로 방산시키는 것이 가능해진다. 특허문헌 2, 3 에 기재된 바와 같이, 동판과 세라믹스 기판을 활성 금속법에 의해 접합한 경우에는, 동판과 세라믹스 기판의 접합부에, Ag-Cu-Ti 계의 납재가 Cu 와 Ag 의 반응에 의해 용융되고, 응고됨으로써 동 부재와 세라믹스 부재가 접합됨과 함께, Ag-Cu 공정 (共晶) 조직층이 형성된다.
상기 Ag-Cu 공정 조직층은 매우 딱딱하기 때문에, 상기 서술한 파워 모듈용 기판에 냉열 사이클이 부하되었을 때, 세라믹스 기판과 동판의 열팽창 계수의 차에서 기인하는 전단 응력이 작용했을 때, Ag-Cu 공정 조직층이 변형되지 않아, 세라믹스 기판에 균열 등이 발생한다는 문제가 있었다.
이 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 세라믹스 기판에 동 또는 동 합금으로 이루어지는 동판이 접합되어 이루어지고, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 세라믹스 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있는 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 및 동 부재 접합용 페이스트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 양태에 관련된 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판의 표면에 동 또는 동 합금으로 이루어지는 동판이 적층되어 접합되고, 상기 동판과 상기 세라믹스 기판 사이에 있어서, 상기 세라믹스 기판의 표면에 질화물층이 형성되고, 상기 질화물층과 상기 동판 사이에는, 두께가 15 ㎛ 이하의 Ag-Cu 공정 조직층이 형성되어 있다.
이 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 동판과 세라믹스 기판의 접합부에 형성된 Ag-Cu 공정 조직층의 두께가 15 ㎛ 이하로 되어 있으므로, 냉열 사이클 부하시에 상기 세라믹스 기판과 상기 동판의 열팽창 계수의 차에서 기인하는 전단 응력이 작용했을 경우에도, 상기 동판이 적당히 변형되게 되어, 상기 세라믹스 기판의 균열을 억제할 수 있다. 또, 상기 세라믹스 기판의 표면에 상기 질화물층이 형성되어 있으므로, 상기 세라믹스 기판과 상기 동판을 확실하게 접합할 수 있다.
상기 세라믹스 기판은, AlN 또는 Si3N4 중 어느 것으로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 세라믹스 기판에 함유된 질소와 질화물 형성 원소가 반응함으로써 상기 세라믹스 기판의 표면에 질화물층 (세라믹스 기판을 구성하는 질화물과는 상이한 질화물) 이 형성되게 되어, 세라믹스 기판과 질화물층이 강고하게 결합된다.
상기 질화물층은, Ti, Hf, Zr, Nb 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소 (질화물 형성 원소) 의 질화물을 함유하고 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 세라믹스 기판과 상기 질화물층이 강고하게 결합되게 되어, 상기 세라믹스 기판과 상기 동판을 강고하게 접합할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 관련된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 전술한 파워 모듈용 기판과, 상기 파워 모듈용 기판에 접합되어, 상기 파워 모듈용 기판을 냉각시키는 히트 싱크를 구비한다.
이 구성의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 의하면, 파워 모듈용 기판에서 발생한 열을 히트 싱크에 의해 방산시킬 수 있다. 동판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합되어 있으므로, 파워 모듈용 기판의 열을 히트 싱크측으로 확실하게 전달하는 것이 가능해진다.
본 발명의 다른 양태에 관련된 파워 모듈은, 전술한 파워 모듈용 기판과, 상기 회로층 상에 탑재된 전자 부품을 구비한다.
이 구성의 파워 모듈에 의하면, 회로층 상에 탑재된 전자 부품으로부터의 열을 효율적으로 방산시킬 수 있어, 전자 부품의 파워 밀도 (발열량) 가 향상했을 경우에도 충분히 대응할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 세라믹스 기판의 표면에 동 또는 동 합금으로 이루어지는 동판이 적층되어 접합된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 동판의 접합면 중 적어도 일방에, Ag 와 질화물 형성 원소를 함유하는 Ag 및 질화물 형성 원소층을 형성하는 동 부재 접합용 페이스트 도포 공정과, 상기 Ag 및 질화물 형성 원소층을 개재하여 상기 세라믹스 기판과 상기 동판과 적층하는 적층 공정과, 적층된 상기 세라믹스 기판과 상기 동판을 적층 방향으로 가압함과 함께 가열하여, 상기 세라믹스 기판과 상기 동판의 계면에 용융 금속 영역을 형성하는 가열 공정과, 상기 용융 금속 영역을 응고시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 동판을 접합하는 응고 공정을 갖고, 상기 가열 공정에 있어서, Ag 를 상기 동판측으로 확산시킴으로써 상기 세라믹스 기판과 상기 동판의 계면에 상기 용융 금속 영역을 형성함과 함께, 상기 세라믹스 기판의 표면에 질화물층을 형성한다.
이 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 상기 가열 공정에 있어서, Ag 를 상기 동판측으로 확산시킴으로써 상기 세라믹스 기판과 상기 동판의 계면에 상기 용융 금속 영역을 형성하고 있으므로, 용융 금속 영역의 두께를 얇게 억제할 수 있어, 상기 용융 금속 영역에 생기는 Ag-Cu 공정 조직층의 두께를 15 ㎛ 이하로 할 수 있다. 상기 가열 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판의 표면에 질화물층을 형성하므로, 세라믹스 기판과 동판을 강고하게 접합할 수 있다. 상기 Ag-Cu 공정 조직층의 두께는 예를 들어 0.1 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하여도 된다.
상기 질화물 형성 원소는, Ti, Hf, Zr, Nb 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소인 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 세라믹스 기판의 표면에 Ti, Hf, Zr, Nb 의 질화물을 함유하는 질화물층을 형성할 수 있어, 세라믹스 기판과 동판을 강고하게 접합하는 것이 가능해진다. 비용적인 관점에서 특히 바람직한 원소는 Ti 이다.
상기 동 부재 접합용 페이스트 도포 공정에서는, Ag 및 질화물 형성 원소 이외에, In, Sn, Al, Mn 및 Zn 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 첨가하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 가열 공정에 있어서 융점이 저하되기 때문에, 상기 용융 금속 영역을 더욱 낮은 온도에서 형성할 수 있어, 상기 Ag-Cu 공정 조직층의 두께를 더욱 얇게 할 수 있다.
상기 동 부재 접합용 페이스트 도포 공정에서는, Ag 및 질화물 형성 원소를 함유하는 페이스트를 도포하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 동판의 접합면 중 적어도 일방에, 확실하게 Ag 및 질화물 형성 원소층을 형성하는 것이 가능해진다.
상기 Ag 및 질화물 형성 원소층 함유 페이스트는, 상기 질화물 형성 원소의 수소화물을 함유하고 있어도 된다. 이 경우, 상기 질화물 형성 원소의 수소화물의 수소가 환원제로서 작용하므로, 동판의 표면에 형성된 산화막 등을 제거할 수 있어, Ag 의 확산 및 질화물층의 형성을 확실하게 실시할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 관련된 동 부재 접합용 페이스트는, 동 또는 동 합금으로 이루어지는 동 부재와, 세라믹스 부재를 접합할 때에 사용되는 동 부재 접합용 페이스트로서, Ag 및 상기 질화물 형성 원소를 함유하는 분말 성분과, 수지와, 용제를 함유하고, 상기 분말 성분의 조성은, 질화물 형성 원소의 함유량이 0.4 질량％ 이상 75 질량％ 이하로 되고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물로 되어 있다.
이 구성의 동 부재 접합용 페이스트에 있어서는, Ag 및 질화물 형성 원소를 함유하는 분말 성분을 가지고 있으므로, 동 부재와 세라믹스 부재의 접합부에 도포하여 가열했을 때, 분말 성분 중의 Ag 가 동 부재측으로 확산됨으로써, Cu 와 Ag 의 반응에 의한 용융 금속 영역이 형성된다. 그리고, 상기 용융 금속 영역이 응고됨으로써, 동 부재와 세라믹스 부재가 접합된다.
즉, Ag 의 동 부재로의 확산에 의해 용융 금속 영역이 형성되기 때문에, 접합부에 있어서 용융 금속 영역이 필요 이상으로 두껍게 형성되지 않게 되어, 접합 후 (응고 후) 에 형성되는 Ag-Cu 공정 조직층의 두께가 얇아진다. 이와 같이, 딱딱한 Ag-Cu 공정 조직층의 두께가 얇게 형성되기 때문에, 세라믹스 부재에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있다.
또, 상기 분말 성분의 조성이, 질화물 형성 원소의 함유량이 0.4 질량％ 이상 75 질량％ 이하로 되고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물로 되어 있으므로, 세라믹스 부재의 표면에 질화물층을 형성할 수 있다. 이와 같이, 질화물층을 개재하여 세라믹스 부재와 동 부재가 접합되어 있으므로, 세라믹스 기판과 동판의 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다.
질화물 형성 원소의 함유량이 0.4 질량％ 미만에서는, 질화물층을 확실하게 형성할 수 없어, 세라믹스 기판과 동판의 접합 강도가 열화될 우려가 있다. 질화물 형성 원소의 함유량이 75 질량％ 를 초과하면, 동 부재에 확산되는 Ag 량을 확보하지 못하여, 세라믹스 기판과 동판을 접합할 수 없게 될 우려가 있다. 이상으로부터, 상기 분말 성분에 있어서, 질화물 형성 원소의 함유량을 0.4 질량％ 이상 75 질량％ 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
분말 성분은, Ag 분말과 질화물 형성 원소의 분말을 혼합한 것이어도 되고, Ag 와 질화물 형성 원소의 합금의 분말이어도 된다.
상기 분말 성분을 구성하는 분말의 입경은 40 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 이 동 부재 접합용 페이스트를 얇게 도포하는 것이 가능해진다. 따라서, 접합 후 (응고 후) 에 형성되는 Ag-Cu 공정 조직층의 두께를 더욱 얇게 하는 것이 가능해진다. 상기 분말의 입경은 예를 들어 0.01 ∼ 40 ㎛ 여도 된다.
상기 분말 성분의 함유량은, 40 질량％ 이상 90 질량％ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 분말 성분의 함유량이 40 질량％ 이상으로 되어 있으므로, Ag 를 동 부재로 확산시켜 확실하게 용융 금속 영역을 형성할 수 있어, 동 부재와 세라믹스 부재를 접합할 수 있다. 세라믹스 부재의 표면에 확실하게 질화물층을 형성할 수 있다. 한편, 분말 성분의 함유량이 90 질량％ 이하로 되어 있으므로, 수지 및 용제의 함유량이 확보되게 되어, 동 부재와 세라믹스 부재의 접합부에 확실하게 도포할 수 있다.
상기 분말 성분은, 상기 질화물 형성 원소의 수소화물을 함유하고 있어도 된다.
이 경우, 질화물 형성 원소의 수소화물의 수소가 환원제로서 작용하므로, 동판의 표면에 형성된 산화막 등을 제거할 수 있어, Ag 의 확산 및 질화물층의 형성을 확실하게 실시할 수 있다.
또한, 상기 분말 성분은, 상기 Ag 및 상기 질화물 형성 원소 이외에, In, Sn, Al, Mn 및 Zn 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 함유하고, Ag 의 함유량이 적어도 25 질량％ 이상인 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 용융 금속 영역을 더욱 낮은 온도에서 형성할 수 있어, Ag 의 필요 이상의 확산이 억제되게 되어, Ag-Cu 공정 조직층의 두께를 얇게 할 수 있다.
상기 분말 성분, 상기 수지 및 상기 용제에 더하여, 분산제를 함유하는 것이 바람직하다. 이 경우, 분말 성분을 분산시키는 것이 용이하여, Ag 의 확산을 균일하게 실시할 수 있고, 질화물층도 균일하게 형성할 수 있다.
상기 분말 성분, 상기 수지 및 상기 용제에 더하여, 가소제를 함유하는 것이 바람직하다. 이 경우, 동 부재 접합용 페이스트의 형상을 비교적 자유롭게 성형할 수 있어, 동 부재와 세라믹스 부재의 접합부에 확실하게 도포할 수 있다.
상기 분말 성분, 상기 수지 및 상기 용제에 더하여, 환원제를 함유하는 것이 바람직하다. 이 경우, 환원제의 작용에 의해, 분말 성분의 표면에 형성된 산화 피막 등을 제거할 수 있어, Ag 의 확산 및 질화물층의 형성을 확실하게 실시할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 관련된 접합체의 제조 방법은, 동 또는 동 합금으로 이루어지는 동 부재와 세라믹스 부재가 접합되어 이루어지는 접합체의 제조 방법으로서, 상기 동 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에, 전술한 동 부재 접합용 페이스트를 개재시킨 상태로 가열 처리를 실시하여, 상기 동 부재와 상기 세라믹스 부재를 접합한다.
이 경우, 동 부재 접합용 페이스트에 함유된 Ag 를 동 부재측으로 확산시킴으로써, 용융 금속 영역을 형성할 수 있고, 이 용융 금속 영역을 응고시킴으로써 동 부재와 세라믹스 부재를 접합할 수 있다. 따라서, 딱딱한 Ag-Cu 공정 조직층의 두께가 얇게 형성되기 때문에, 세라믹스 부재에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있다.
세라믹스 부재의 표면에 질화물층을 형성할 수 있어, 동 부재와 세라믹스 부재의 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다.
본 발명에 의하면, 세라믹스 기판에 동 또는 동 합금으로 이루어지는 동판이 접합되어 이루어지고, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 세라믹스 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있는 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.
또, 동 부재와 세라믹스 부재를 접합했을 경우에도, 딱딱한 Ag-Cu 공정 조직층이 두껍게 형성되지 않아, 세라믹스 부재에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있으며, 또한 확실하게 동 부재와 세라믹스 부재를 접합할 수 있는 동 부재 접합용 페이스트, 및 이 동 부재 접합용 페이스트를 사용한 접합체의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판, 및 이 파워 모듈용 기판을 사용한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈의 단면도이다.
도 2 는 도 1 에 있어서의 회로층과 세라믹스 기판의 접합 계면의 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 동판과 세라믹스 기판을 접합할 때에 사용되는 동 부재 접합용 페이스트의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 4 는 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판, 및 이 파워 모듈용 기판을 사용한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 5 는 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판, 및 이 파워 모듈용 기판을 사용한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 6 은 세라믹스 기판과 동판의 접합 공정을 나타내는 단면도이다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 단면도이다.
도 8 은 도 7 에 있어서의 회로층 및 금속층과 세라믹스 기판의 접합 계면의 단면도이다.
도 9 는 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 10 은 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 11 은 본 발명의 다른 실시형태인 파워 모듈용 기판, 및 이 파워 모듈용 기판을 사용한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 12 는 본 발명의 다른 실시형태인 파워 모듈용 기판, 및 이 파워 모듈용 기판을 사용한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 13 은 본 발명의 다른 실시형태인 파워 모듈용 기판, 및 이 파워 모듈용 기판을 사용한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 14 는 실시예에 있어서의 막두께의 측정 지점을 나타낸 평면도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태인 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈에 대해, 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
(제 1 실시형태)
먼저, 제 1 실시형태에 대해 설명한다. 도 1 에 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 을 사용한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (50) 및 파워 모듈 (1) 을 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 소자 (3) (전자 부품) 와, 완충판 (41) 과, 히트 싱크 (51) 를 구비하고 있다. 땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 되어 있다. 본 실시형태에서는, 회로층 (12) 과 땜납층 (2) 사이에 Ni 도금층 (도시 생략) 이 형성되어 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 세라믹스 기판 (11) 과, 상기 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (12) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 1 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (13) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 회로층 (12) 과 금속층 (13) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 또는 Si3N4 (질화규소) 로 구성되어 있다. 세라믹스 기판 (11) 의 두께는 한정되지는 않지만, 바람직하게는 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 5 에 있어서 상면) 에, 동판 (22) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 회로층 (12) 의 두께는 한정되지는 않지만, 바람직하게는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.3 ㎜ 로 설정되어 있다. 상기 회로층 (12) 에는, 회로 패턴이 형성되어 있고, 그 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 이, 반도체 소자 (3) 가 탑재되는 탑재면으로 되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 동판 (22) (회로층 (12)) 은, 순도 99.99 질량％ 이상의 무산소동 (OFC) 의 압연판으로 되어 있지만, 다른 동 합금도 사용 가능하다.
세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합에는, 후술하는 Ag 및 질화물 형성 원소를 함유하는 동 부재 접합용 페이스트가 사용되고 있다.
금속층 (13) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 5 에 있어서 하면) 에, 알루미늄판 (23) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 금속층 (13) 의 두께는 한정되지는 않지만, 바람직하게는 0.6 ㎜ 이상 6.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 알루미늄판 (23) (금속층 (13)) 은, 순도가 99.99 질량％ 이상의 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 되어 있지만, 필요에 따라 다른 알루미늄 합금도 사용 가능하다.
완충판 (41) 은, 냉열 사이클에 의해 발생하는 변형을 흡수하는 것이며, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 금속층 (13) 의 타방의 면 (도 1 에 있어서 하면) 에 형성되어 있다. 완충판 (41) 의 두께는 한정되지는 않지만, 바람직하게는 0.5 ㎜ 이상 7.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.9 ㎜ 로 설정되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 완충판 (41) 은, 순도가 99.99 질량％ 이상의 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 되어 있지만, 필요에 따라 다른 알루미늄 합금도 사용 가능하다.
히트 싱크 (51) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (10) 으로부터의 열을 방산시키기 위한 것이다. 본 실시형태에 있어서의 히트 싱크 (51) 는, 파워 모듈용 기판 (10) 과 완충판 (41) 을 개재하여 접합되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 히트 싱크 (51) 는, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 구성되어 있고, 구체적으로는 A6063 합금의 압연판으로 되어 있지만, 필요에 따라 다른 알루미늄 합금도 사용 가능하다. 히트 싱크 (51) 의 두께는 한정되지는 않지만, 바람직하게는 1 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 5 ㎜ 로 설정되어 있다.
도 2 에 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 계면의 확대도를 나타낸다. 세라믹스 기판 (11) 의 표면에는, 동 부재 접합용 페이스트에 함유된 질화물 형성 원소의 질화물로 이루어지는 질화물층 (31) 이 형성되어 있다.
상기 질화물층 (31) 에 적층하도록 Ag-Cu 공정 조직층 (32) 이 형성되어 있다. Ag-Cu 공정 조직층 (32) 의 두께는 15 ㎛ 이하로 되어 있다. 상기 Ag-Cu 공정 조직층의 두께는, EPMA (전자선 마이크로 애널라이저) 에 의한 반사 전자 이미지로부터 측정하는 것이 가능하고, 예를 들어 0.1 ∼ 15 ㎛ 여도 된다.
다음으로, 전술한 구성의 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (50) 의 제조 방법에 대해 설명한다.
상기 서술한 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 이 되는 동판 (22) 의 접합에는, Ag 및 질화물 형성 원소를 함유하는 동 부재 접합용 페이스트가 사용되고 있다. 먼저, 동 부재 접합용 페이스트에 대해 설명한다.
동 부재 접합용 페이스트는, Ag 및 질화물 형성 원소를 함유하는 분말 성분과, 수지와, 용제와, 분산제와, 가소제와, 환원제를 함유한다. 분산제와 가소제와 환원제는 임의 성분이다.
분말 성분의 함유량이, 동 부재 접합용 페이스트 전체의 40 질량％ 이상 90 질량％ 이하로 되어 있다.
본 실시형태에서는, 동 부재 접합용 페이스트의 점도가 10 ㎩·s 이상 500 ㎩·s 이하, 보다 바람직하게는 50 ㎩·s 이상 300 ㎩·s 이하로 조정되어 있다. 이 범위이면 도포를 실시하기 쉽다.
질화물 형성 원소는, Ti, Hf, Zr, Nb 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소인 것이 바람직하고, 본 실시형태에서는, 질화물 형성 원소로서 Ti 를 함유하고 있다.
분말 성분의 조성은, 질화물 형성 원소의 함유량이 0.4 질량％ 이상 75 질량％ 이하로 되고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물로 되어 있다. 질화물 형성 원소의 함유량은, 0.2 질량％ 이상 85 질량％ 이하여도 된다. 본 실시형태에서는, Ti 를 10 질량％ 함유하고 있고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물로 되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, Ag 및 질화물 형성 원소 (Ti) 를 함유하는 분말 성분으로서, Ag 와 Ti 의 합금 분말을 사용하고 있다. 상기 합금 분말은, 아토마이즈법에 의해 제조된 것이며, 제조된 합금 분말을 사분 (篩分) 함으로써, 입경을 40 ㎛ 이하, 바람직하게는 20 ㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ 이하로 설정하고 있다.
상기 합금 분말의 입경은, 예를 들어, 레이저 회절·산란식의 입도 분석계를 사용하여 측정할 수 있다.
수지는, 동 부재 접합용 페이스트의 점도를 조정하는 것이며, 예를 들어, 에틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 폴리메틸메타크릴레이트, 아크릴 수지, 알키드 수지 등을 적용할 수 있다. 페이스트 중의 수지의 함유량은, 예를 들어 0.5 질량％ 이상 25 질량％ 이하여도 된다.
용제는, 전술한 분말 성분의 용매가 되는 것이며, 예를 들어, 메틸셀르솔브, 에틸셀르솔브, 테르피네올, 톨루엔, 텍산올, 트리에틸시트레이트 등을 적용할 수 있다. 페이스트 중의 용제의 함유량은, 예를 들어 5 질량％ 이상 58 질량％ 이하여도 된다.
분산제는, 분말 성분을 균일하게 분산시키는 것이며, 예를 들어, 아니온성 계면 활성제, 카티온성 계면 활성제 등을 적용할 수 있다. 페이스트 중의 분산제의 함유량은, 예를 들어 0.01 질량％ 이상 5 질량％ 이하여도 된다.
가소제는, 동 부재 접합용 페이스트의 성형성을 향상시키는 것이며, 예를 들어, 프탈산디부틸, 아디프산디부틸 등을 적용할 수 있다. 페이스트 중의 가소제의 함유량은, 예를 들어 0.1 질량％ 이상 20 질량％ 이하여도 된다.
환원제는, 분말 성분의 표면에 형성된 산화 피막 등을 제거하는 것이며, 예를 들어, 로진, 아비에틴산 등을 적용할 수 있다. 본 실시형태에서는, 아비에틴산을 사용하고 있다. 페이스트 중의 환원제의 함유량은, 예를 들어 0.5 질량％ 이상 10 질량％ 이하여도 된다.
분산제, 가소제, 환원제는, 필요에 따라 첨가하면 되고, 분산제, 가소제, 환원제를 첨가하지 않고 동 부재 접합용 페이스트를 구성해도 된다.
동 부재 접합용 페이스트의 제조 방법에 대해, 도 3 에 나타내는 플로우도를 참조하여 설명한다.
먼저, 전술한 바와 같이, Ag 와 질화물 형성 원소 (Ti) 를 함유하는 합금 분말을 아토마이즈법에 의해 제조하고, 이것을 사분함으로써 입경 40 ㎛ 이하의 합금 분말을 얻는다 (합금 분말 제조 공정 S01).
용제와 수지를 혼합하여 유기 혼합물을 생성한다 (유기물 혼합 공정 S02).
합금 분말 제조 공정 S01 로 얻어진 합금 분말과, 유기물 혼합 공정 S02 로 얻어진 유기 혼합물과, 분산제, 가소제, 환원제 등의 부첨가제를 믹서에 의해 예비 혼합한다 (예비 혼합 공정 S03).
이어서, 예비 혼합물을 복수의 롤을 갖는 롤 밀기를 사용하여 반죽하면서 혼합한다 (혼련 공정 S04).
혼련 공정 S04 에 의해 얻어진 혼련물을 페이스트 여과기에 의해 여과한다 (여과 공정 S05).
이와 같이 하여, 상기 서술한 동 부재 접합용 페이스트가 제조된다.
다음으로, 상기 동 부재 접합용 페이스트를 사용한 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (50) 의 제조 방법에 대해, 도 4 내지 도 6 을 참조하여 설명한다.
(동 부재 접합용 페이스트 도포 공정 S11)
도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에, 예를 들어 스크린 인쇄에 의해, 전술한 동 부재 접합용 페이스트를 도포하고 건조시킴으로써, Ag 및 질화물 형성 원소층 (24) 을 형성한다. Ag 및 질화물 형성 원소층 (24) 의 두께는 한정되지 않지만, 바람직하게는 건조 후에 20 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하로 되어 있다.
(적층 공정 S12)
다음으로, 동판 (22) 을 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면측에 적층한다. 즉, 세라믹스 기판 (11) 과 동판 (22) 사이에 Ag 및 질화물 형성 원소층 (24) 을 개재시킨다.
(가열 공정 S13)
이어서, 동판 (22), 세라믹스 기판 (11) 을 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 ㎏f/㎠) 한 상태에서 진공 가열로 내에 장입 (裝入) 하여 가열한다. 그러면, 도 6 에 나타내는 바와 같이, Ag 및 질화물 형성 원소층 (24) 의 Ag 가 동판 (22) 을 향해 확산된다. 이 때, 동판 (22) 의 일부가 Cu 와 Ag 의 반응에 의해 용융되어, 동판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 용융 금속 영역 (27) 이 형성된다.
본 실시형태에서는, 바람직하게는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 ㎩ 이상 10-3 ㎩ 이하의 범위 내로, 가열 온도는 바람직하게는 790 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내로 설정한다.
(응고 공정 S14)
다음으로, 용융 금속 영역 (27) 을 냉각시켜 응고시킴으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 동판 (22) 을 접합한다. 응고 공정 S14 가 종료한 후에는, Ag 및 질화물 형성 원소층 (24) 의 Ag 가 충분히 확산되어 있어, 세라믹스 기판 (11) 과 동판 (22) 의 접합 계면에 Ag 및 질화물 형성 원소층 (24) 이 잔존하지 않는다.
(금속층 접합 공정 S15)
다음으로, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면측에 금속층 (13) 이 되는 알루미늄판 (23) 을 접합한다. 본 실시형태에서는, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면측에 금속층 (13) 이 되는 알루미늄판 (23) 이, 바람직하게는 두께 5 ∼ 50 ㎛ (본 실시형태에서는 14 ㎛) 의 납재박 (25) 을 개재하여 적층된다. 본 실시형태에 있어서는, 납재박 (25) 은, 바람직하게는 융점 강하 원소인 Si 를 함유한 Al-Si 계의 납재로 되어 있다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11), 알루미늄판 (23) 을 적층 방향으로 가압 (바람직하게는 압력 1 ∼ 35 ㎏f/㎠) 한 상태에서 가열로 내에 장입하여 가열한다. 그러면, 납재박 (25) 과 알루미늄판 (23) 의 일부가 용융되어, 알루미늄판 (23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 용융 금속 영역이 형성된다. 가열 온도는 바람직하게는 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하, 가열 시간은 바람직하게는 30 분 이상 180 분 이하로 되어 있다.
다음으로, 알루미늄판 (23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 형성된 용융 금속 영역을 냉각시켜 응고시킴으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (23) 을 접합한다. 이와 같이 하여, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 이 제조된다.
(완충판 및 히트 싱크 접합 공정 S16)
다음으로, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 의 타방의 면측 (도 5 에 있어서 하측) 에, 완충판 (41) 과, 히트 싱크 (51) 를, 각각 납재박 (42, 52) 을 개재하여 적층한다.
본 실시형태에서는, 납재박 (42, 52) 은, 바람직하게는 두께 5 ∼ 50 ㎛ (본 실시형태에서는 14 ㎛) 로 되고, 융점 강하 원소인 Si 를 함유한 Al-Si 계의 납재로 되어 있다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (10), 완충판 (41), 히트 싱크 (51) 를 적층 방향으로 가압 (바람직하게는 압력 1 ∼ 35 ㎏f/㎠) 한 상태에서 가열로 내에 장입하여 가열한다. 그러면, 금속층 (13) 과 완충판 (41) 의 계면 및 완충판 (41) 과 히트 싱크 (51) 의 계면에 각각 용융 금속 영역이 형성된다. 가열 온도는 바람직하게는 550 ℃ 이상 610 ℃ 이하, 가열 시간은 바람직하게는 30 분 이상 180 분 이하로 되어 있다.
다음으로, 금속층 (13) 과 완충판 (41) 의 계면 및 완충판 (41) 과 히트 싱크 (51) 의 계면에 각각 형성된 용융 금속 영역을 응고시킴으로써, 파워 모듈용 기판 (10) 과 완충판 (41) 과 히트 싱크 (51) 를 접합한다. 이로써, 본 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (50) 이 제조된다.
회로층 (12) 의 표면에 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 재치 (載置) 하고, 환원로 내에 있어서 땜납 접합한다. 이로써, 땜납층 (2) 을 개재하여 반도체 소자 (3) 가 회로층 (12) 상에 접합된 파워 모듈 (1) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 에 의하면, 동판 (22) 으로 이루어지는 회로층 (12) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합부에 있어서, Ag-Cu 공정 조직층 (32) 의 두께가 15 ㎛ 이하로 되어 있으므로, 냉열 사이클 부하시에 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 열팽창 계수의 차에서 기인하는 전단 응력이 작용했을 경우에도, 회로층 (12) 측이 적당히 변형되게 되어, 세라믹스 기판 (11) 의 균열을 억제할 수 있다.
세라믹스 기판 (11) 의 표면에 질화물층 (31) 이 형성되어 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 을 확실하게 접합할 수 있다.
본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (11) 이 AlN 으로 구성되어 있으므로, 동 부재 접합용 페이스트에 함유된 질화물 형성 원소와 세라믹스 기판 (11) 이 반응함으로써, 세라믹스 기판 (11) 의 표면에 질화물층 (31) 이 형성되게 되어, 세라믹스 기판 (11) 과 질화물층 (31) 이 강고하게 결합된다.
또한, 질화물층 (31) 이 Ti, Hf, Zr, Nb 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소의 질화물을 함유하고 있고, 본 실시형태에서는, 구체적으로 질화물층 (31) 이 TiN 을 함유하고 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 질화물층 (31) 이 강고하게 결합되게 되어, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 을 강고하게 접합할 수 있다.
본 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (50) 및 파워 모듈 (1) 에 의하면, 파워 모듈용 기판 (10) 에서 발생한 열을 히트 싱크 (51) 에 의해 방산시킬 수 있다. 회로층 (12) 과 세라믹스 기판 (11) 이 확실하게 접합되어 있으므로, 회로층 (12) 의 탑재면에 탑재된 반도체 소자 (3) 로부터 발생하는 열을 히트 싱크 (51) 측으로 확실하게 전달시킬 수 있어, 반도체 소자 (3) 의 온도 상승을 억제할 수 있다. 따라서, 반도체 소자 (3) 의 파워 밀도 (발열량) 가 향상되었을 경우에도 충분히 대응할 수 있다.
또한, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (50) 및 파워 모듈 (1) 은, 파워 모듈용 기판 (10) 과 히트 싱크 (51) 사이에 완충판 (41) 이 배치 형성되어 있으므로, 파워 모듈용 기판 (10) 과 히트 싱크 (51) 의 열팽창 계수의 차에서 기인하는 변형을 완충판 (41) 의 변형에 의해 흡수할 수 있다.
또, 본 실시형태의 제조 방법에서는, 가열 공정 S13 에 있어서, Ag 를 동판 (22) 측으로 확산시킴으로써 세라믹스 기판 (11) 과 동판 (22) 의 계면에 용융 금속 영역 (27) 을 형성하고 있으므로, 용융 금속 영역 (27) 의 두께를 얇게 억제할 수 있어, Ag-Cu 공정 조직층 (32) 의 두께를 15 ㎛ 이하로 할 수 있다. 또한, 가열 공정 S13 에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 의 표면에 질화물층 (31) 을 형성하는 구성으로 하고 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 동판 (22) 을 강고하게 접합할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 질화물 형성 원소로서 Ti 를 함유하고 있으므로, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (11) 과 Ti 가 반응하여 질화물층 (31) 이 형성되게 되어, 세라믹스 기판 (11) 과 동판 (22) 을 확실하게 접합할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 동 부재 접합용 페이스트 도포 공정 S11 에 있어서, Ag 및 질화물 형성 원소를 함유하는 동 부재 접합용 페이스트를 도포하는 구성으로 하고 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면에 확실하게 Ag 및 질화물 형성 원소층 (24) 을 형성하는 것이 가능해진다.
본 실시형태에서 사용한 동 부재 접합용 페이스트에서는, 분말 성분의 조성이, 질화물 형성 원소의 함유량이 0.4 질량％ 이상 75 질량％ 이하로 되고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물로 되어 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 의 표면에 질화물층 (31) 을 형성할 수 있다. 이와 같이, 질화물층 (31) 을 개재하여 세라믹스 기판 (11) 과 동판 (22) 으로 이루어지는 회로층 (12) 이 접합되어 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다.
본 실시형태에서는, 분말 성분을 구성하는 분말, 즉, Ag 와 질화물 형성 원소 (Ti) 를 함유하는 합금 분말의 입경이 40 ㎛ 이하로 되어 있으므로, 이 동 부재 접합용 페이스트를 얇게 도포하는 것이 가능해진다. 따라서, 접합 후 (응고 후) 에 형성되는 Ag-Cu 공정 조직층 (32) 의 두께를 얇게 하는 것이 가능해진다.
분말 성분의 함유량이 40 질량％ 이상 90 질량％ 이하로 되어 있으므로, Ag 를 동판 (22) 으로 확산시켜 확실하게 용융 금속 영역 (27) 을 형성하여, 동판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 을 접합할 수 있다. 용제의 함유량이 확보되게 되어, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면에 동 부재 접합용 페이스트를 확실하게 도포할 수 있어, Ag 및 질화물 형성 원소층 (24) 을 확실하게 형성할 수 있다.
본 실시형태에서는, 필요에 따라 분산제를 함유하고 있으므로, 분말 성분을 분산시킬 수 있어, Ag 의 확산을 균일하게 실시할 수 있다. 질화물층 (31) 을 균일하게 형성할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 필요에 따라 가소제를 함유하고 있으므로, 동 부재 접합용 페이스트의 형상을 비교적 자유롭게 성형할 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면에 확실하게 도포할 수 있다.
본 실시형태에서는, 필요에 따라 환원제를 함유하고 있으므로, 환원제의 작용에 의해, 분말 성분의 표면에 형성된 산화 피막 등을 제거할 수 있어, Ag 의 확산 및 질화물층 (31) 의 형성을 확실하게 실시할 수 있다.
(제 2 실시형태)
다음으로, 제 2 실시형태에 대해 설명한다. 도 7 에 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 을 나타낸다. 이 파워 모듈용 기판 (110) 은, 세라믹스 기판 (111) 과, 상기 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 것으로서, 절연성이 높은 Si3N4 (질화규소) 로 구성되어 있다. 세라믹스 기판 (111) 의 두께는, 바람직하게는 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.32 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (112) 은, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면 (도 10 에 있어서 상면) 에 동판 (122) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 회로층 (112) 의 두께는 바람직하게는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다. 상기 회로층 (112) 에는, 회로 패턴이 형성되어 있고, 그 일방의 면 (도 7 에 있어서 상면) 이 반도체 소자가 탑재되는 탑재면으로 되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 동판 (122) (회로층 (112)) 은, 바람직하게는 순도 99.99 질량％ 이상의 무산소동 (OFC) 의 압연판으로 되어 있다.
금속층 (113) 은, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면 (도 10 에 있어서 하면) 에 동판 (123) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 금속층 (113) 의 두께는 바람직하게는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 동판 (123) (금속층 (113)) 은, 바람직하게는 순도 99.99 질량％ 이상의 무산소동 (OFC) 의 압연판으로 되어 있다.
세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) 의 접합, 및 세라믹스 기판 (111) 과 금속층 (113) 의 접합에는, 후술하는 Ag 및 질화물 형성 원소를 함유하는 동 부재 접합용 페이스트가 사용되고 있다.
도 8 에 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 접합 계면의 확대도를 나타낸다. 세라믹스 기판 (111) 의 표면에는, 동 부재 접합용 페이스트에 함유된 질화물 형성 원소의 질화물로 이루어지는 질화물층 (131) 이 형성되어 있다.
본 실시형태에서는, 제 1 실시형태에서 관찰된 Ag-Cu 공정 조직층이 명확하게 관찰되지 않는 구성으로 되어 있다.
다음으로, 전술한 구성의 파워 모듈용 기판 (110) 의 제조 방법에 대해 설명한다. 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) 이 되는 동판 (122) 은, Ag 및 질화물 형성 원소를 함유하는 동 부재 접합용 페이스트가 사용되고 있다. 그래서, 먼저, 동 부재 접합용 페이스트에 대해 설명한다.
본 실시형태에서 사용되는 동 부재 접합용 페이스트는, Ag 및 질화물 형성 원소를 함유하는 분말 성분과, 수지와, 용제와, 분산제와, 가소제와, 환원제를 함유한다.
분말 성분은, Ag 및 질화물 형성 원소 이외에, In, Sn, Al, Mn 및 Zn 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 함유하는 것으로 되어 있고, 본 실시형태에서는 Sn 을 함유하고 있다.
분말 성분의 함유량이 동 부재 접합용 페이스트 전체의 40 질량％ 이상 90 질량％ 이하로 되어 있다.
본 실시형태에서는, 동 부재 접합용 페이스트의 점도가 10 ㎩·s 이상 500 ㎩·s 이하, 보다 바람직하게는 50 ㎩·s 이상 300 ㎩·s 이하로 조정되어 있다.
질화물 형성 원소는, Ti, Hf, Zr, Nb 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소인 것이 바람직하고, 본 실시형태에서는, 질화물 형성 원소로서 Zr 을 함유하고 있다.
분말 성분의 조성은, 질화물 형성 원소 (본 실시형태에서는 Zr) 의 함유량이 0.4 질량％ 이상 75 질량％ 이하로 되고, In, Sn, Al, Mn 및 Zn 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소 (본 실시형태에서는 Sn) 의 함유량이 0 질량％ 이상 50 질량％ 이하로 되며, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물로 되어 있다. 단, Ag 의 함유량은 25 질량％ 이상이다. 본 실시형태에서는, Zr ; 40 질량％, Sn ; 20 질량％ 를 함유하고 있으며, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물로 되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 분말 성분으로서 요소 분말 (Ag 분말, Zr 분말, Sn 분말) 을 사용하고 있다. 이들 Ag 분말, Zr 분말, Sn 분말은, 분말 성분 전체가 상기 서술한 조성이 되도록 배합되어 있는 것이다.
이들 Ag 분말, Zr 분말, Sn 분말은, 각각 입경을 40 ㎛ 이하, 바람직하게는 20 ㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ 이하로 설정하고 있다. 이들 Ag 분말, Zr 분말, Sn 분말의 입경은, 예를 들어, 레이저 회절·산란식의 입도 분석계를 사용하여 측정할 수 있다.
수지, 용제는, 제 1 실시형태와 동일한 것이 적용되고 있다. 본 실시형태에 있어서도, 필요에 따라 분산제, 가소제, 환원제가 첨가되어 있다.
본 실시형태에서 사용되는 동 부재 접합용 페이스트는, 제 1 실시형태에서 나타낸 제조 방법에 준하여 제조되어 있다. 즉, 합금 분말 대신에, Ag 분말, Zr 분말, Sn 분말을 사용한 것 이외에는, 제 1 실시형태와 동일한 순서로 제조되고 있는 것이다.
다음으로, 상기 동 부재 접합용 페이스트를 사용한 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 의 제조 방법에 대해 도 9 및 도 10 을 참조하여 설명한다.
(동 부재 접합용 페이스트 도포 공정 S111)
먼저, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면 및 타방의 면에, 스크린 인쇄에 의해, 전술한 본 실시형태인 동 부재 접합용 페이스트를 도포하여, Ag 및 질화물 형성 원소층 (124, 125) 을 형성한다. Ag 및 질화물 형성 원소층 (124, 125) 의 두께는, 바람직하게는 건조 후에 20 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하로 되어 있다.
(적층 공정 S112)
다음으로, 동판 (122) 을 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면측에 적층한다. 동판 (123) 을 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면측에 적층한다. 즉, 세라믹스 기판 (111) 과 동판 (122), 세라믹스 기판 (111) 과 동판 (123) 사이에, Ag 및 질화물 형성 원소층 (124, 125) 을 개재시키고 있다.
(가열 공정 S113)
이어서, 동판 (122), 세라믹스 기판 (111), 동판 (123) 을 적층 방향으로 가압 (바람직하게는 압력 1 ∼ 35 ㎏f/㎠) 한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다. 그러면, Ag 및 질화물 형성 원소층 (124) 의 Ag 가 동판 (122) 을 향해 확산됨과 함께, Ag 및 질화물 형성 원소층 (125) 의 Ag 가 동판 (123) 을 향해 확산된다.
이 때, 동판 (122) 의 Cu 와 Ag 가 반응에 의해 용융되어, 동판 (122) 과 세라믹스 기판 (111) 의 계면에 용융 금속 영역이 형성된다. 동판 (123) 의 Cu 와 Ag 가 반응에 의해 용융되어, 동판 (123) 과 세라믹스 기판 (111) 의 계면에 용융 금속 영역이 형성된다.
본 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 바람직하게는 10-6 ㎩ 이상 10-3 ㎩ 이하의 범위 내로, 가열 온도는 바람직하게는 790 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
(응고 공정 S114)
다음으로, 용융 금속 영역을 응고시킴으로써, 세라믹스 기판 (111) 과 동판 (122, 123) 을 접합한다. 응고 공정 S114 가 종료한 후에는, Ag 및 질화물 형성 원소층 (124, 125) 의 Ag 가 충분히 확산되어 있어, 세라믹스 기판 (111) 과 동판 (122, 123) 의 접합 계면에 Ag 및 질화물 형성 원소층 (124, 125) 이 잔존하는 경우는 없다.
이와 같이 하여, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 이 제조된다. 이 파워 모듈용 기판 (110) 에는, 회로층 (112) 상에 반도체 소자가 탑재됨과 함께, 금속층 (113) 의 타방측에 히트 싱크가 배치 형성된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 에 의하면, 동판 (122) 으로 이루어지는 회로층 (112) 과 세라믹스 기판 (111) 의 접합부에 있어서, Ag-Cu 공정 조직층의 두께가 15 ㎛ 이하로 되어 있어, 본 실시형태에서는 명확하게 관찰되지 않게 되어 있으므로, 냉열 사이클 부하시에 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) 의 열팽창 계수의 차에서 기인하는 전단 응력이 작용했을 경우에도, 회로층 (112) 측이 적당히 변형되게 되어, 세라믹스 기판 (111) 의 균열을 억제할 수 있다. 또, 세라믹스 기판 (111) 의 표면에 질화물층 (131) 이 형성되어 있으므로, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) 을 확실하게 접합할 수 있다.
또, Ag 의 동판 (122, 123) 으로의 확산에 의해 용융 금속 영역이 형성되는 점에서, 세라믹스 기판 (111) 과 동판 (122, 123) 의 접합부에 있어서 용융 금속 영역이 필요 이상으로 형성되지 않게 되어, 접합 후 (응고 후) 에 형성되는 Ag-Cu 공정 조직층의 두께가 얇아지는 것이다. 따라서, 세라믹스 기판 (111) 에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 질화물 형성 원소로서 Zr 을 함유하고 있으므로, Si3N4 로 이루어지는 세라믹스 기판 (111) 과 Zr 이 반응하여 질화물층 (131) 이 형성되게 되어, 세라믹스 기판 (111) 과 동판 (122, 123) 을 확실하게 접합할 수 있다.
본 실시형태에서는, 분말 성분으로서, Ag 및 질화물 형성 원소 (본 실시형태에서는 Zr) 이외에, In, Sn, Al, Mn 및 Zn 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소 (본 실시형태에서는 Sn) 를 함유하고 있으므로, 용융 금속 영역을 더욱 낮은 온도에서 형성할 수 있고, 형성되는 Ag-Cu 공정 조직층의 두께를 더욱 얇게 하는 것이 가능해진다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 동 부재 접합용 페이스트 및 접합체의 제조 방법에 의하면, Ag 를 세라믹스 기판 (111) 과 동판 (122), 동판 (123) 과의 계면에 개재시킬 수 있으며, 이 Ag 를 동판 (122, 123) 측으로 확산시킴으로써, Cu 와 Ag 의 반응에 의해 용융 금속 영역을 형성하는 것이 가능해진다. 그리고, 상기 용융 금속 영역을 응고시킴으로써, 세라믹스 기판 (111) 과 동판 (122, 123) 을 접합할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
예를 들어, 질화물 형성 원소로서 Ti, Zr 을 사용한 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, Hf, Nb 등의 다른 질화물 형성 원소여도 된다.
Ag 및 질화물 형성 원소층 함유 페이스트 (동 부재 접합용 페이스트) 에 함유되는 분말 성분이, TiH2, ZrH2 등의 질화물 형성 원소의 수소화물을 함유하고 있어도 된다. 이 경우, 질화물 형성 원소의 수소화물의 수소가 환원제로서 작용하므로, 동판의 표면에 형성된 산화막 등을 제거할 수 있어, Ag 의 확산 및 질화물층의 형성을 확실하게 실시할 수 있다.
제 2 실시형태에 있어서, 첨가 원소로서 Sn 을 첨가한 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, In, Sn, Al, Mn 및 Zn 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 사용해도 된다.
분말 성분을 구성하는 분말의 입경을 40 ㎛ 이하로 한 것으로 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 입경에 한정은 없다.
분산제, 가소제, 환원제를 함유하는 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 이들을 함유하지 않아도 된다. 이들 분산제, 가소제, 환원제는, 필요에 따라 첨가하면 된다.
또한, 알루미늄판과 세라믹스 기판, 혹은 알루미늄판끼리를 납땜으로 접합하는 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 주조법, 금속 페이스트법 등을 적용해도 된다. 알루미늄판과 세라믹스 기판, 알루미늄판과 천판, 혹은 그 밖의 알루미늄재 사이에 Cu, Si, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, Li 를 배치하고, 과도 액상 접합법 (Transient Liquid Phase Bonding) 을 사용하여 접합해도 된다.
도 5, 도 6 및 도 10 에 나타내는 제조 방법으로 제조된 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 한정되지 않고, 다른 제조 방법으로 제조된 파워 모듈용 기판 등이어도 된다.
예를 들어, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (211) 의 일방의 면에 Ag 및 질화물 형성 원소층 (224) 을 개재하여 회로층 (212) 이 되는 동판 (222) 을 접합하고, 세라믹스 기판 (211) 의 타방의 면에 납재박 (225) 을 개재하여 금속층 (213) 이 되는 알루미늄판 (223) 을 접합함과 함께, 알루미늄판 (223) 의 타방의 면에 납재박 (252) 을 개재하여 히트 싱크 (251) 를 접합해도 된다. 이와 같이 하여, 파워 모듈용 기판 (210) 과 히트 싱크 (251) 를 구비한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (250) 이 제조된다.
도 12 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (311) 의 일방의 면에 Ag 및 질화물 형성 원소층 (324) 을 개재하여 회로층 (312) 이 되는 동판 (322) 을 접합하고, 세라믹스 기판 (311) 의 타방의 면에 납재박 (325) 을 개재하여 금속층 (313) 이 되는 알루미늄판 (323) 을 접합함으로써, 파워 모듈용 기판 (310) 을 제조하고, 그 후, 금속층 (213) 의 타방의 면에 납재박 (352) 을 개재하여 히트 싱크 (351) 를 접합해도 된다. 이와 같이 하여, 파워 모듈용 기판 (310) 과 히트 싱크 (351) 를 구비한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (350) 이 제조된다.
또한, 도 13 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (411) 의 일방의 면에 Ag 및 질화물 형성 원소층 (424) 을 개재하여 회로층 (412) 이 되는 동판 (422) 을 접합하고, 세라믹스 기판 (411) 의 타방의 면에 납재박 (425) 을 개재하여 금속층 (413) 이 되는 알루미늄판 (423) 을 접합함과 함께, 알루미늄판 (423) 의 타방의 면에 납재박 (442) 을 개재하여 완충판 (441) 을 접합하고, 상기 완충판 (441) 의 타방의 면에 납재박 (452) 을 개재하여 히트 싱크 (451) 를 접합해도 된다. 이와 같이 하여, 파워 모듈용 기판 (410) 과, 완충판 (441) 과, 히트 싱크 (451) 를 구비한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (450) 이 제조된다.
본 실시형태의 동 부재 접합용 페이스트는, 세라믹스 기판과 동판을 접합할 때에 사용하는 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 세라믹스 부재와 동 부재를 접합할 때에 본 발명의 동 부재 접합용 페이스트를 사용해도 된다.
실시예
본 발명의 유효성을 확인하기 위해서 실시한 비교 실험에 대해 설명한다. 표 1, 표 2, 표 3 에 나타내는 조건으로 각종 페이스트를 제조하였다. 표 1 에서는 분말 성분으로서 합금 분말을 사용하였다. 표 2 에서는 분말 성분으로서 각 원소의 분말 (요소 분말) 을 사용하였다. 표 3 에서는 분말 성분으로서 각 원소의 분말 (요소 분말) 을 사용하고, 질화물 형성 원소에 대해서는 질화물 형성 원소의 수소화물의 분말을 사용하였다. 표 3 에는 질화물 형성 원소의 수소화물의 요소 분말 혼합비 외에, 질화물 형성 원소의 함유량 (활성 금속 함유량) 도 아울러 기재하였다.
분산제로서 아니온성 계면 활성제를, 가소제로서 아디프산디부틸을, 환원제로서 아비에틴산을 사용하였다.
분말 성분 이외의 수지, 용제, 분산제, 가소제, 환원제의 혼합 비율은, 질량비로, 수지 : 용제 : 분산제 : 가소제 : 환원제 = 7 : 70 : 3 : 5 : 15 로 하였다.
Figure pct00001
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Figure pct00003
이 표 1, 표 2, 표 3 에 나타내는 각종 페이스트를 사용하여 세라믹스 기판과 동판을 접합함으로써, 도 10 에 나타내는 구조 및 제조 방법으로 제조된 파워 모듈용 기판, 도 11, 도 12 에 나타내는 구조 및 제조 방법으로 제조된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 도 5, 도 13 에 나타내는 구조 및 제조 방법으로 제조된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 제조하였다.
도 10 에 나타내는 파워 모듈용 기판에 있어서는, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, 상기 서술한 각종 페이스트를 사용하여 동판을 접합하고, 회로층 및 금속층이 동판으로 구성된 파워 모듈용 기판으로 하였다. 동판으로서 무산소동의 압연판을 사용하였다.
도 11, 도 12 에 나타내는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판의 일방의 면에, 상기 서술한 각종 페이스트를 사용하여 동판을 접합하여 회로층으로 하였다.
세라믹스 기판의 타방의 면에, 알루미늄판을 납재를 개재하여 접합하여 금속층을 형성하였다. 알루미늄판으로서 순도 99.99 질량％ 이상의 4N 알루미늄을 사용하고, 납재로서 Al-7.5 질량％ Si, 두께 20 ㎛ 의 납재박을 사용하였다.
또한, 금속층의 타방의 면측에, 히트 싱크로서 A6063 으로 이루어지는 알루미늄판을 납재를 개재하여 파워 모듈용 기판의 금속층측에 접합하였다. 납재로서 Al-7.5 질량％ Si, 두께 70 ㎛ 의 납재박을 사용하였다.
도 5, 도 13 에 나타내는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판의 일방의 면에, 상기 서술한 각종 페이스트를 사용하여 동판을 접합하여 회로층으로 하였다.
세라믹스 기판의 타방의 면에, 알루미늄판을 납재를 개재하여 접합하여 금속층을 형성하였다. 알루미늄판으로서 순도 99.99 질량％ 이상의 4N 알루미늄을 사용하고, 납재로서 Al-7.5 질량％ Si, 두께 14 ㎛ 의 납재박을 사용하였다.
또한, 금속층의 타방의 면에, 완충판으로서 4N 알루미늄으로 이루어지는 알루미늄판을 납재를 개재하여 접합하였다. 납재로서 Al-7.5 질량％ Si, 두께 100 ㎛ 의 납재박을 사용하였다.
완충판의 타방의 면측에, 히트 싱크로서 A6063 으로 이루어지는 알루미늄판을 납재를 개재하여 파워 모듈용 기판의 금속층측에 접합하였다. 납재로서 Al-7.5 질량％ Si, 두께 100 ㎛ 의 납재박을 사용하였다.
세라믹스 기판과 동판의 접합은, 표 4, 표 5, 표 6 에 나타내는 조건으로 실시하였다.
세라믹스 기판과 알루미늄판을 납땜할 때의 접합 조건은, 진공 분위기, 가압 압력 12 ㎏f/㎠, 가열 온도 650 ℃, 가열 시간 30 분으로 하였다. 또한, 알루미늄판끼리를 납땜할 때의 접합 조건은, 진공 분위기, 가압 압력 6 ㎏f/㎠, 가열 온도 610 ℃, 가열 시간 30 분으로 하였다.
세라믹스 기판의 재질, 사이즈를 표 4, 표 5, 표 6 에 나타낸다.
동판의 사이즈는, 37 ㎜ × 37 ㎜ × 0.3 ㎜ 로 하였다.
금속층이 되는 알루미늄판의 사이즈는, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 경우에는 37 ㎜ × 37 ㎜ × 2.1 ㎜ 로 하고, 히트 싱크 및 완충판이 부착된 파워 모듈용 기판의 경우에는 37 ㎜ × 37 ㎜ × 0.6 ㎜ 로 하였다.
히트 싱크가 되는 알루미늄판의 사이즈는, 50 ㎜ × 60 ㎜ × 5 ㎜ 로 하였다.
완충판이 되는 알루미늄판의 사이즈는, 40 ㎜ × 40 ㎜ ×0.9 ㎜ 로 하였다.
표 4, 표 5, 표 6 에, 상기 서술한 각종 페이스트를 사용하여 구성한 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트 싱크 및 완충판이 부착된 파워 모듈용 기판의 구조 및 제조 방법에 대해 기재하였다.
구조 「DBC」 가 도 10 에 나타내는 파워 모듈용 기판,
구조 「H-1」 이 도 11 에 나타내는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판,
구조 「H-2」 가 도 12 에 나타내는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판,
구조 「B-1」 이 도 13 에 나타내는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판,
구조 「B-2」 가 도 5 에 나타내는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판이다.
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
막두께 환산량 (환산 평균 막두께) 을 다음과 같이 측정하여 표 7, 표 8, 표 9 에 나타냈다.
먼저, 세라믹스 기판과 동판의 표면에, 표 1, 표 2, 표 3 에 나타내는 각종 페이스트를 도포하여 건조시켰다. 건조된 각종 페이스트에 있어서의 각 원소의 막두께 환산량 (환산 평균 막두께) 을 측정하였다.
막두께는, 형광 X 선 막후계 (에스아이아이·나노테크놀로지 주식회사 제조 상품명 「STF9400」) 를 사용하여, 도포한 각종 페이스트에 대해, 도 14 에 나타내는 지점 (9 점) 을 각 3 회 측정한 평균치로 하였다. 미리 막두께가 이미 알려진 샘플을 측정하여 형광 X 선 강도와 농도의 관계를 구해 두고, 그 결과를 기준으로 하여, 각 시료에 있어서 측정된 형광 X 선 강도로부터 각 원소의 막두께 환산량을 결정하였다.
Figure pct00007
Figure pct00008
Figure pct00009
상기 서술한 바와 같이 하여 얻어진 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 대해, 세라믹스 균열, 냉열 사이클 부하 후의 접합율, 질화물층의 유무, Ag-Cu 공정 조직층의 두께를 평가하였다. 평가 결과를 표 10, 표 11, 표 12 에 나타낸다.
세라믹스 균열은, 냉열 사이클 (-45 ℃ ←→125 ℃) 을 500 회 반복할 때마다 크랙의 발생의 유무를 확인하여, 크랙이 확인된 횟수로 평가하였다.
냉열 사이클 부하 후의 접합율은, 냉열 사이클 (-45 ℃ ←→125 ℃) 을 4000 회 반복한 후의 파워 모듈용 기판을 사용하여, 이하의 식으로 산출하였다. 3500 회를 채우지 않은 중에 크랙이 발생한 경우에는, 4000 회 반복한 후의 접합율에 대해서는 평가하지 않았다.
접합율 = (초기 접합 면적 - 박리 면적)/초기 접합 면적
질화물층은, EPMA (전자선 마이크로 애널라이저) 에 의한 질화물 형성 원소의 매핑으로부터 동판/세라믹스 기판 계면에서의 질화물 형성 원소의 존재를 확인하여 실시하였다.
Ag-Cu 공정 조직층의 두께는, 동판/세라믹스 기판 계면의 EPMA (전자선 마이크로 애널라이저) 에 의한 반사 전자 이미지로부터, 배율 2000 배의 시야 (세로 45 ㎛ ; 가로 60 ㎛) 에 있어서 접합 계면에 연속적으로 형성된 Ag-Cu 공정 조직층의 면적을 측정하여, 측정 시야의 폭의 치수로 나누어 구하고, 5 시야의 평균을 Ag-Cu 공정 조직층의 두께로 하였다. 동판과 세라믹스 기판의 접합부에 형성된 Ag-Cu 공정 조직층 중, 접합 계면으로부터 두께 방향으로 연속적으로 형성되어 있지 않은 영역을 포함하지 않고, Ag-Cu 공정 조직층의 면적을 측정하였다.
Figure pct00010
Figure pct00011
Figure pct00012
비교예 1 - 3, 51 에 있어서는, 공정 조직 두께가 15 ㎛ 를 초과하고 있으며, 적은 사이클수로 세라믹스 기판에 크랙이 발생하였다.
종래예 1 및 종래예 51 에서는, 공정 조직 두께가 15 ㎛ 를 초과하고 있으며, 비교예와 동일하게 적은 사이클수로 세라믹스 기판에 크랙이 발생하였다.
한편, 공정 조직 두께가 15 ㎛ 이하로 된 본 발명예 1 - 25, 51 - 75, 81 - 100 에 있어서는, 세라믹스 기판에 있어서의 크랙의 발생이 억제되어 있는 것이 확인되었다. 4000 사이클 후의 접합율도 91 ％ 이상으로 높았다.
이상의 결과로부터, 본 발명예에 의하면, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 세라믹스 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있는 파워 모듈용 기판을 제공할 수 있는 것이 확인되었다.
질화물 형성 원소의 함유량이 75 질량％ 이상인 비교예 3 및 비교예 53 에서는, Ag 의 함유량이 적기 때문에, 동판과 세라믹스 기판의 계면에 용융 금속 영역이 충분히 형성되지 않고, 4000 회에 이르기 전에 크랙이 발생하였다. 질화물 형성 원소의 함유량이 0.4 질량％ 미만인 비교예 4 및 비교예 52 에서는, 충분한 질화물층을 형성하지 못하여, 4000 회 후의 접합율이 70 ％ 이하로 나쁜 결과가 되었다.
한편, 질화물 형성 원소가 0.4 질량％ 이상 75 질량％ 미만인 본 발명예 1 - 25, 51 - 75, 81 - 100 에 있어서는, 세라믹스 기판에 있어서의 크랙의 발생이 억제되어 있는 것이 확인된다. 4000 사이클 후의 접합율도 91 ％ 이상으로 높았다. 이상의 결과로부터, 본 발명예에 의하면, 동 부재와 세라믹스 부재를 접합했을 경우에도, 세라믹스 부재에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있고, 또한 확실하게 동 부재와 세라믹스 부재를 접합할 수 있는 동 부재 접합용 페이스트를 제공할 수 있는 것이 확인되었다.
산업상 이용가능성
본 발명에 의하면, 세라믹스 기판에 동 또는 동 합금으로 이루어지는 동판이 접합된 파워 모듈용 기판에 있어서, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 세라믹스 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있기 때문에, 산업상의 이용이 가능하다.
1 파워 모듈
3 반도체 소자 (전자 부품)
10, 110, 210, 310, 410 파워 모듈용 기판
11, 111, 211, 311, 411 세라믹스 기판
12, 112, 212, 312, 412 회로층
13, 113, 213, 313, 413 금속층
22, 122, 123, 222, 322, 422 동판
23, 223, 323, 423 알루미늄판
31, 131 질화물층
32 Ag-Cu 공정 조직층
41, 441 완충판
50, 250, 350, 450 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판
51, 251, 351, 451 히트 싱크

Claims (15)

  1. 파워 모듈용 기판으로서,
    세라믹스 기판의 표면에 동 또는 동 합금으로 이루어지는 동판이 적층되어 접합되고,
    상기 동판과 상기 세라믹스 기판 사이에 있어서, 상기 세라믹스 기판의 상기 표면에 질화물층이 형성되고,
    상기 질화물층과 상기 동판 사이에는, 두께가 15 ㎛ 이하의 Ag-Cu 공정 조직층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판은, AlN 또는 Si3N4 중 어느 것으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 질화물층은, Ti, Hf, Zr, Nb 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소의 질화물을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  4. 제 1 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 상기 파워 모듈용 기판을 냉각시키는 히트 싱크를 구비한 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
  5. 제 1 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 상기 파워 모듈용 기판 상에 탑재된 전자 부품을 구비한 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  6. 세라믹스 기판의 표면에 동 또는 동 합금으로 이루어지는 동판이 적층되어 접합된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 동판의 접합면 중 적어도 일방에, Ag 와 질화물 형성 원소를 함유하는 Ag 및 질화물 형성 원소층을 형성하는 동 부재 접합용 페이스트 도포 공정과,
    상기 Ag 및 질화물 형성 원소층을 개재하여 상기 세라믹스 기판과 상기 동판을 적층하는 적층 공정과,
    적층된 상기 세라믹스 기판과 상기 동판을 적층 방향으로 가압함과 함께 가열하여, 상기 세라믹스 기판과 상기 동판의 계면에 용융 금속 영역을 형성하는 가열 공정과,
    상기 용융 금속 영역을 응고시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 동판을 접합하는 응고 공정을 갖고,
    상기 가열 공정에 있어서, Ag 를 상기 동판측으로 확산시킴으로써 상기 세라믹스 기판과 상기 동판의 계면에 상기 용융 금속 영역을 형성함과 함께, 상기 세라믹스 기판의 표면에 질화물층을 형성하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 질화물 형성 원소는, Ti, Hf, Zr, Nb 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소인 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 동 부재 접합용 페이스트 도포 공정에서는, Ag 및 질화물 형성 원소 이외에, In, Sn, Al, Mn 및 Zn 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 배치 형성시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 동 부재 접합용 페이스트 도포 공정에서는, Ag 및 질화물 형성 원소를 함유하는 Ag 및 질화물 형성 원소층 함유 페이스트를 도포하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 Ag 및 질화물 형성 원소층 함유 페이스트는, 상기 질화물 형성 원소의 수소화물을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  11. 동 또는 동 합금으로 이루어지는 동 부재와, 세라믹스 부재를 접합할 때에 사용되는 동 부재 접합용 페이스트로서,
    Ag 및 질화물 형성 원소를 함유하는 분말 성분과, 수지와, 용제를 함유하고,
    상기 분말 성분의 조성은, 상기 질화물 형성 원소의 함유량이 0.4 질량％ 이상 75 질량％ 이하로 되고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물로 되어 있는 것을 특징으로 하는 동 부재 접합용 페이스트.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 분말 성분을 구성하는 분말의 입경이 40 ㎛ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하는 동 부재 접합용 페이스트.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 동 부재 접합용 페이스트 중의 상기 분말 성분의 함유량이, 40 질량％ 이상 90 질량％ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하는 동 부재 접합용 페이스트.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 질화물 형성 원소는, Ti, Hf, Zr, Nb 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소인 것을 특징으로 하는 동 부재 접합용 페이스트.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 분말 성분은, 상기 질화물 형성 원소의 수소화물을 함유하는 것을 특징으로 하는 동 부재 접합용 페이스트.
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