KR20150067177A - 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈, 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 - Google Patents

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

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Abstract

본 발명에 관련된 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (1) 에 있어서는, 금속층 (13) 및 히트싱크 (31) 의 일방이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되고, 타방이 구리 또는 구리 합금으로 구성되고, 상기 금속층 (13) 과 상기 히트싱크 (31) 가 고상 확산 접합되고, 상기 금속층 (13) 과 상기 히트싱크 (31) 의 접합 계면에는, Cu 와 Al 로 이루어지는 금속간 화합물층이 형성되어 있고, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 상기 금속층 (13) 또는 상기 히트싱크 (31) 와 상기 금속간 화합물층의 계면에는, 산화물이 상기 계면을 따라 층상으로 분산되어 있다.

Description

히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈, 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법{SUBSTRATE FOR POWER MODULE WITH HEAT SINK, POWER MODULE WITH HEAT SINK, AND METHOD FOR PRODUCING SUBSTRATE FOR POWER MODULE WITH HEAT SINK}
본 발명은, 절연층 (세라믹스 기판) 의 일방의 면에 회로층이 배치 형성됨과 함께 타방의 면에 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판과 이 파워 모듈용 기판에 접합된 히트싱크를 구비한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 이 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 반도체 소자가 탑재된 히트싱크가 부착된 파워 모듈, 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은, 2012년 10월 16일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2012-228870호에 대해서 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
각종 반도체 소자 중에서도, 전기 자동차나 전기 차량 등을 제어하기 위해서 사용되는 대전력 제어용 파워 소자에서는, 발열량이 많으므로, 이것을 탑재하는 기판으로는, 예를 들어 AlN (질화알루미늄) 등으로 이루어지는 세라믹스 기판 (절연층) 의 일방의 면 및 타방의 면에 도전성이 우수한 금속판을 회로층 및 금속층으로서 접합한 파워 모듈용 기판이, 종래부터 널리 사용되고 있다.
그리고, 이러한 파워 모듈용 기판은, 그 회로층 상에, 땜납재를 개재하여 파워 소자로서의 반도체 소자 (전자 부품) 가 탑재되고, 파워 모듈이 된다. 또한, 금속층의 하방에는 히트싱크가 접합되어, 방열시키는 구조로 되어 있다.
종래, 파워 모듈용 기판과 히트싱크를 접합하는 방법으로서, 예를 들어, 특허문헌 1 에는, 파워 모듈용 기판의 금속층과 히트싱크 사이에 그리스를 개재시켜 나사 고정에 의해 접합하는 방법이 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 2 에는, 파워 모듈용 기판의 금속층과 히트싱크를, 땜납을 개재하여 접합하는 방법이 기재되어 있다.
일본 공개특허공보 2004-288828호 일본 공개특허공보 2009-224571호
그러나, 특허문헌 1 및 특허문헌 2 에 나타낸 바와 같이, 그리스나 땜납을 개재하여 금속층과 히트싱크를 접합한 경우, 금속층이나 히트싱크와 비교하여 그리스나 땜납의 열저항이 크기 때문에, 금속층과 히트싱크의 접합부에 있어서 전자 부품 (반도체 소자) 으로부터 발생하는 열의 방산이 불충분해져 온도가 상승하고, 전자 부품의 성능이 저하될 우려가 있다. 특히, 그리스를 사용한 경우에는, 히트사이클 및 파워사이클이 부하되었을 때, 그리스가 열화되거나, 그리스의 내부에 공극이 발생하거나 하는 경우가 있고, 접합부에 있어서 더욱 열저항이 커지는 문제가 발생한다. 그 때문에, 전자 부품의 사용시에 있어서, 금속층과 히트싱크의 접합부에 있어서의 열저항을 저하시켜 전자 부품으로부터의 열을 충분히 방산하는 것이 요구되고 있다.
본 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 서로 접합되는 금속층 및 히트싱크의 일방이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되고, 타방이 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있는 경우에 있어서, 금속층과 히트싱크의 접합부에 있어서의 열저항을 작게 하고, 전자 부품의 온도 상승을 억제 가능한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈, 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
(1) 본 발명의 일 양태의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 절연층의 일방의 면에 회로층이 배치 형성되고, 상기 절연층의 타방의 면에 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판과, 상기 파워 모듈용 기판의 상기 금속층에 접합된 히트싱크를 구비한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판으로서, 상기 금속층 및 상기 히트싱크의 일방이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되고, 타방이 구리 또는 구리 합금으로 구성되고, 상기 금속층과 상기 히트싱크가 고상 확산 접합되고, 상기 금속층과 상기 히트싱크의 접합 계면에는, Cu 와 Al 로 이루어지는 금속간 화합물층이 형성되어 있고, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 상기 금속층 또는 상기 히트싱크와 상기 금속간 화합물층의 계면에는, 산화물이 상기 계면을 따라 층상으로 분산되어 있다.
상기 서술한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 의하면, 금속층 및 히트싱크의 일방이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되고, 타방이 구리 또는 구리 합금으로 구성되고, 이들 금속층과 히트싱크가 고상 확산 접합에 의해서 접합되어 있기 때문에, 그리스나 땜납을 개재하여 접합되어 있는 경우와 비교하여, 금속층과 히트싱크의 접합부에 있어서의 열저항을 작게 할 수 있다.
또한, 금속층과 히트싱크가, 고상 확산 접합에 의해서 강고하게 접합되어 있고, 히트사이클이 부하된 경우에 있어서, 금속층과 히트싱크의 계면에 박리가 발생하는 것이 억제되고, 금속층과 히트싱크의 접합부의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 금속층과 히트싱크가 고상 확산 접합되어 있기 때문에, 금속층과 히트싱크의 접합부에 간극이 생기기 어렵고, 접합부의 열전도성을 양호하게 하고, 열저항을 작게 할 수 있다.
또, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금과, 상기 구리 또는 구리 합금의 공정 (共晶) 온도 미만에서 유지하여 고상 확산 접합한 경우에는, 금속층과 히트싱크 사이에 액상이 형성되지 않는다. 그 때문에, 금속층과 히트싱크 사이에 알루미늄과 구리의 화합물이 다량으로 생성되지 않고, 금속층과 히트싱크의 접합부의 접합 신뢰성을 향상시키는 것이 가능하다.
또한, 절연층의 타방의 면에 변형 저항이 작은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된 금속층을 배치 형성한 경우, 히트사이클이 부하되었을 때, 절연층과 히트싱크의 열팽창 계수의 차에 기인하여 발생하는 열응력을 금속층이 흡수하기 때문에, 절연층에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또, 절연층의 타방의 면에 열전도성이 우수한 구리 또는 구리 합금으로 구성된 금속층을 배치 형성한 경우, 반도체 소자로부터의 열을 효율적으로 히트싱크측으로 전달하는 것이 가능하다.
또한, 히트싱크가 열전도성이 우수한 구리 또는 구리 합금, 혹은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되어 있기 때문에, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 방열성을 향상시키는 것이 가능하다.
또, 금속층과 히트싱크의 접합 계면에, Cu 와 Al 로 이루어지는 금속간 화합물층이 형성되어 있으므로, 금속층 또는 히트싱크 중의 Al (알루미늄 원자) 과 히트싱크 또는 금속층 중의 Cu (구리 원자) 가 충분히 상호 확산되어 있고, 금속층과 히트싱크가 강고하게 접합되어 있다.
또한, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속층 또는 히트싱크와 금속간 화합물층의 접합 계면에는, 산화물이, 계면을 따라 층상으로 분산되어 있으므로, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속층 또는 히트싱크의 표면에 형성된 산화막이 파괴되어 고상 확산 접합이 충분히 진행되고 있다.
또한, 금속간 화합물층은, 복수의 금속간 화합물이 금속층과 히트싱크의 접합 계면을 따라 적층한 구조로 되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 무른 금속간 화합물층이 크게 성장하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 금속층 또는 히트싱크 중의 Al 과 히트싱크 또는 금속층 중의 Cu 가 상호 확산됨으로써, 금속층측으로부터 히트싱크측을 향하여 각각의 조성에 적합한 금속간 화합물이 층상으로 형성되므로, 접합 계면 근방의 특성을 안정시킬 수 있다.
구체적으로는, 금속간 화합물층에는, θ 상, η2 상, ζ2 상의 3 종의 금속간 화합물이 적층되어 있기 때문에, 금속간 화합물층의 내부에 있어서의 체적 변동이 작아지고, 내부 변형이 억제되게 된다.
여기서, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속층 또는 히트싱크의 평균 결정 입경이 50 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하의 범위 내가 되고, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속층 또는 히트싱크의 평균 결정 입경이 500 ㎛ 이상으로 되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 금속층, 히트싱크의 평균 결정 입경이 비교적 크게 설정되어 있기 때문에, 금속층, 히트싱크에는, 불필요한 변형이 축적되어 있지 않고, 피로 특성이 양호해진다. 따라서, 히트사이클 부하에 있어서, 파워 모듈용 기판과 히트싱크 사이에 발생하는 열응력에 대한 접합 신뢰성이 향상된다.
(2) 본 발명의 다른 양태의 히트싱크가 부착된 파워 모듈은, (1) 에 기재된 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판과, 상기 회로층의 일방측에 접합된 반도체 소자를 구비하고 있다.
상기 서술한 히트싱크가 부착된 파워 모듈에 의하면, 상기 서술한 바와 같이 금속층과 히트싱크의 접합부에 있어서의 열저항이 작게 되어 있기 때문에, 반도체 소자로부터의 열을 히트싱크측으로 효율적으로 전달하는 것이 가능하다. 또한, 히트싱크가 열전도성이 우수한 구리 또는 구리 합금, 혹은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되어 있기 때문에, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 방열성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 반도체 소자의 온도 상승을 억제하여, 소정의 온도에서 반도체 소자를 동작시킬 수 있고, 동작의 안정성을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 절연층의 타방의 면에 변형 저항이 작은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된 금속층이 배치 형성된 경우, 절연층의 균열을 억제하고, 히트싱크가 부착된 파워 모듈의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 금속층이 열전도성이 우수한 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있는 경우, 반도체 소자로부터 발생하는 열을 히트싱크측으로 더욱 효율적으로 전달할 수 있다. 그리고, 반도체 소자의 온도 상승을 억제하여, 소정의 온도에서 반도체 소자를 동작시킬 수 있고, 동작의 안정성을 향상시키는 것이 가능해진다.
(3) 본 발명의 다른 양태의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 절연층의 일방의 면에 회로층이 배치 형성되고, 상기 절연층의 타방의 면에 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판과, 상기 파워 모듈용 기판의 금속층에 접합된 히트싱크를 구비한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 금속층 및 상기 히트싱크의 일방을 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성하고, 타방을 구리 또는 구리 합금으로 구성하고, 상기 금속층과 상기 히트싱크를 고상 확산 접합함으로써, 상기 금속층과 상기 히트싱크의 접합 계면에, Cu 와 Al 로 이루어지는 금속간 화합물층을 형성함과 함께, 상기 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 상기 금속층 또는 상기 히트싱크와 상기 금속간 화합물층의 계면에 산화물을 상기 계면을 따라 층상으로 분산시키고 있다.
상기 서술한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 금속층 및 히트싱크의 일방이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되고, 타방이 구리 또는 구리 합금으로 구성되고, 상기 금속층과 상기 히트싱크를 고상 확산 접합에 의해서 접합하는 구성으로 되어 있기 때문에, 그리스나 땜납을 개재하여 접합되어 있는 경우와 비교하여, 금속층과 히트싱크의 접합부에 있어서의 열저항이 작은 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 얻을 수 있다.
또한, 상기 서술한 바와 같이, 금속층과 히트싱크의 접합 계면에, Cu 와 Al 로 이루어지는 금속간 화합물층이 형성됨과 함께, 금속층 또는 히트싱크와 금속간 화합물층의 계면에 산화물이 층상으로 분산되어 있기 때문에, 금속층과 히트싱크가 강고하게 접합된 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 얻을 수 있다.
본 발명에 의하면, 서로 접합되는 금속층 및 히트싱크의 일방이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되고, 타방이 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있는 경우에 있어서, 금속층과 히트싱크의 접합부에 있어서의 열저항을 작게 하고, 전자 부품의 온도 상승을 억제 가능한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈, 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 히트싱크가 부착된 파워 모듈, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 2 는 도 1 의 금속층과 히트싱크의 접합부의 확대도이다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 히트싱크가 부착된 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 4 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 5 는 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 히트싱크가 부착된 파워 모듈, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 6 은 도 5 의 금속층과 히트싱크의 접합부의 확대도이다.
도 7 은 본 발명의 다른 실시형태에 관련된 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 8 은 본 발명의 다른 실시형태에 관련된 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 9 는 본 발명의 다른 실시형태에 관련된 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 있어서의 금속층과 히트싱크의 접합 계면의 개략 설명도이다.
도 10 은 도 9 의 히트싱크와 금속간 화합물층의 계면의 확대 설명도이다.
도 11 은 본 발명의 다른 실시형태에 관련된 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 있어서의 금속층과 히트싱크의 접합 계면의 개략 설명도이다.
도 12 는 도 11 의 금속층과 금속간 화합물층의 계면의 확대 설명도이다.
도 13 은 Cu 와 Al 의 2 원 상태도이다.
(제 1 실시형태)
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해서, 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 에, 본 발명의 제 1 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈 (1), 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30), 파워 모듈용 기판 (10) 을 나타낸다.
이 히트싱크가 부착된 파워 모듈 (1) 은, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 과, 이 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 의 일방측 (도 1 에 있어서 상측) 에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 를 구비하고 있다.
땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-Cu 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재 (이른바 납 프리 땜납재) 로 되어 있고, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 과 반도체 소자 (3) 를 접합하는 것이다.
반도체 소자 (3) 는, 반도체를 구비한 전자 부품이고, 필요시되는 기능에 따라 여러 가지 반도체 소자가 선택된다. 본 실시형태에서는, IGBT 소자로 되어 있다.
히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 은, 파워 모듈용 기판 (10) 과, 파워 모듈용 기판 (10) 의 타방측 (도 1 에 있어서 하측) 에 접합된 히트싱크 (31) 를 구비하고 있다.
그리고, 파워 모듈용 기판 (10) 은, 도 1 에서 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) (절연층) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (제 1 면이고, 도 1 에 있어서 상면) 에 형성된 회로층 (12) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (제 2 면이고, 도 1 에 있어서 하면) 에 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. 또한, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 (도 1 에 있어서 상면) 에, 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 알루미늄판 (22) 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
금속층 (13) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면 (도 1 에 있어서 하면) 에, 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 알루미늄판 (23) 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다. 제 1 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 의 평균 결정 입경이 500 ㎛ 이상으로 되어 있다.
히트싱크 (31) 는, 파워 모듈용 기판 (10) 측의 열을 방산하기 위한 것이다. 히트싱크 (31) 는, 열전도성이 양호한 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있고, 본 실시형태에 있어서는, 무산소동으로 구성되어 있다. 또한, 제 1 실시형태에 있어서는, 히트싱크 (31) 의 평균 결정 입경이 50 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다.
이 히트싱크 (31) 의 내부에는, 냉각용 유체가 흐르기 위한 유로 (32) 가 형성되어 있다.
그리고, 본 실시형태에 있어서는, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 가, 고상 확산 접합에 의해서 접합되어 있다.
금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 의 접합 계면에는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 금속간 화합물층 (41) 이 형성되어 있다.
금속간 화합물층 (41) 은, 금속층 (13) 의 Al (알루미늄 원자) 과, 히트싱크 (31) 의 Cu (구리 원자) 가 상호 확산됨으로써 형성되는 것이다. 이 금속간 화합물층 (41) 에 있어서는, 금속층 (13) 으로부터 히트싱크 (31) 를 향함에 따라, 점차 Al 의 농도가 낮아지고, 또한 Cu 의 농도가 높아지는 농도 구배를 갖고 있다.
이 금속간 화합물층 (41) 은, Al 과 Cu 로 이루어지는 금속간 화합물로 구성되어 있고, 본 실시형태에서는, 복수의 금속간 화합물이 접합 계면을 따라 적층된 구조로 되어 있다. 여기서, 이 금속간 화합물층 (41) 의 두께 t 는, 1 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내, 바람직하게는 5 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
제 1 실시형태에서는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 3 종의 금속간 화합물이 적층된 구조로 되어 있고, 금속층 (13) 측으로부터 히트싱크 (31) 측을 향하여 순서대로, θ 상 (43), η2 상 (44), ζ2 상 (45) 으로 되어 있다 (도 13).
또한, 금속간 화합물층 (41) 과 히트싱크 (31) 의 접합 계면에는, 산화물 (46) 이, 접합 계면을 따라 층상으로 분산되어 있다. 또, 제 1 실시형태에 있어서는, 이 산화물 (46) 은, 알루미나 (Al2O3) 등의 알루미늄 산화물로 되어 있다. 또, 산화물 (46) 은, 금속간 화합물층 (41) 과 히트싱크 (31) 의 계면에 분단된 상태로 분산되어 있고, 금속간 화합물층 (41) 과 히트싱크 (31) 가 직접 접촉하고 있는 영역도 존재하고 있다.
다음으로, 본 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈 (1), 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30), 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법에 대해서, 도 3 및 도 4 를 사용하여 설명한다.
먼저, 도 4 에서 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 및 제 2 면에, 납재를 개재하여 알루미늄판 (22, 23) 을 적층한다. 그리고, 가압·가열 후 냉각시킴으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (22, 23) 을 접합하고, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 을 형성한다 (회로층 및 금속층 접합 공정 S11). 또, 이 납땜의 온도는 640 ℃ ∼ 650 ℃ 로 설정되어 있다.
이렇게 해서, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 회로층 (12) 이 형성되고, 제 2 면에 금속층 (13) 이 형성된 파워 모듈용 기판 (10) 이 얻어진다.
다음으로, 도 4 에서 나타내는 바와 같이, 금속층 (13) 의 타방측에 히트싱크 (31) 를 적층한다. 여기서, 금속층 (13) 의 일방측은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면과 접합되어 있는 금속층 (13) 의 면이다. 또한, 금속층 (13) 의 타방측은, 금속층 (13) 의, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면과 접합되어 있는 면과는 반대의 면이다. 그리고, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 에 대하여 적층 방향으로 하중을 부하한 상태에서, 금속층 (13) 및 히트싱크 (31) 의 가열 온도를 알루미늄과 구리의 공정 온도 미만에서 유지함으로써, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 를 고상 확산 접합한다 (히트싱크 접합 공정 S12). 구체적으로는, 먼저, 파워 모듈용 기판 (10) 의 일방측 및 히트싱크 (31) 의 타방측, 즉, 도 4 에 있어서 히트싱크 (31) 의 하면으로부터 하중을 부하하고, 진공 가열로 중에 배치한다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 및 히트싱크 (31) 의 접촉면에 부하되는 하중은, 3 kgf/㎠ 이상 35 kgf/㎠ 이하로 되어 있다. 그리고, 진공 가열의 가열 온도를, 알루미늄과 구리의 공정 온도 미만으로 하여, 고상 확산 접합을 실시하고, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 를 접합한다. 이 진공 가열의 바람직한 조건은, 400 ℃ 이상 548 ℃ 이하에서, 15 분 이상 270 분 이하로 유지하는 것으로 되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 가 접합되는 면에 있어서, 미리 당해 면의 흠집이 제거되어 평활하게 된 후에, 고상 확산 접합되어 있다.
또, 진공 가열의 보다 바람직한 가열 온도는, 알루미늄과 구리의 공정 온도 - 5 ℃ 이상 또한 공정 온도 미만의 범위로 되어 있다.
상기 서술한 바와 같이 하여, 본 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30), 및 파워 모듈용 기판 (10) 이 얻어진다.
그리고, 회로층 (12) 의 일방측 (표면) 에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 재치 (載置) 하고, 환원로 내에서 땜납 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S13).
이렇게 하여, 본 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈 (1) 이 제조된다.
이상과 같은 구성이 된 본 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 에 의하면, 알루미늄으로 구성된 금속층 (13) 과, 구리로 구성된 히트싱크 (31) 가 고상 확산 접합에 의해서 접합되는 구성으로 되어 있기 때문에, 열전도성이 나쁜 그리스나 땜납을 개재하여 접합되어 있는 경우와 비교하여, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 의 접합부에 있어서의 열전도성을 향상시켜, 열저항을 작게 할 수 있다.
나아가서는, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 가 고상 확산 접합에 의해서 접합되어 있고, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 의 접합 계면에, Cu 와 Al 로 이루어지는 금속간 화합물층 (41) 이 형성되어 있으므로, 금속층 (13) 중의 Al (알루미늄 원자) 과 히트싱크 (31) 중의 Cu (구리 원자) 가 충분히 상호 확산되어 있고, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 가 강고하게 접합되어 있다.
또한, 금속간 화합물층 (41) 은, 복수의 금속간 화합물이 상기 접합 계면을 따라 적층된 구조로 되어 있기 때문에, 무른 금속간 화합물층이 크게 성장하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 금속층 (13) 중의 Al 과 히트싱크 (31) 중의 Cu 가 상호 확산됨으로써, 금속층 (13) 측으로부터 히트싱크 (31) 측을 향하여 각각의 조성에 적합한 금속간 화합물이 층상으로 형성되므로, 접합 계면 근방의 특성을 안정시킬 수 있다.
구체적으로는, 금속간 화합물층 (41) 은, 금속층 (13) 으로부터 히트싱크 (31) 측을 향하여 순서대로, θ 상 (43), η2 상 (44), ζ2 상 (45) 의 3 종의 금속간 화합물이 적층되어 있기 때문에, 금속간 화합물층 (41) 의 내부에 있어서의 체적 변동이 작아지고, 내부 변형이 억제되게 된다.
즉, 고상 확산되지 않은 경우, 예를 들어, 액상이 형성된 경우에는, 금속간 화합물이 필요 이상으로 발생하고, 금속간 화합물층은 그 체적의 변동이 커지고, 금속간 화합물층에 내부 변형이 발생한다. 그러나, 고상 확산된 경우에는, 무른 금속간 화합물층이 크게 성장하지 않고, 금속간 화합물이 층상으로 형성되기 때문에, 그 내부 변형이 억제된다.
또, 이들 금속간 화합물층 (41) 과 히트싱크 (31) 의 접합 계면에 있어서, 산화물 (46) 이 접합 계면을 따라 층상으로 분산되어 있기 때문에, 금속층 (13) 의 표면에 형성된 산화막이 확실히 파괴되고, Cu 와 Al 의 상호 확산이 충분히 진행되고 있는 것이 되어, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 가 확실히 접합되어 있다.
또한, 금속간 화합물층 (41) 의 평균 두께가 1 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내, 바람직하게는 5 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있기 때문에, 금속층 (13) 중의 Al 과 히트싱크 (31) 중의 Cu 가 충분히 상호 확산되어 있는 것이 되어, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 가 강고하게 접합할 수 있음과 함께, 금속층 (13), 히트싱크 (31) 에 비해 무른 금속간 화합물층 (41) 이 필요 이상으로 성장하는 것이 억제되어 있고, 접합 계면의 특성이 안정되게 된다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 히트싱크 (31) 의 평균 결정 입경이 50 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하의 범위 내가 되고, 금속층 (13) 의 평균 결정 입경이 500 ㎛ 이상으로 되어 있고, 금속층 (13), 히트싱크 (31) 의 평균 결정 입경이 비교적 크게 설정되어 있다. 따라서, 금속층 (13), 히트싱크 (31) 에는, 불필요한 변형이 축적되어 있지 않고, 피로 특성이 양호해진다. 따라서, 히트사이클 부하에 있어서, 파워 모듈용 기판 (10) 과 히트싱크 (31) 사이에 발생하는 열응력에 대한 접합 신뢰성이 향상된다.
또, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 에 대하여 적층 방향으로 하중을 부하한 상태에서 고상 확산 접합하는 구성으로 되어 있기 때문에, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 의 접합부에 간극이 생기기 어렵고, 접합부의 열전도성을 양호하게 할 수 있다.
또한, 금속층 (13) 및 히트싱크 (31) 의 가열 온도를 알루미늄과 구리의 공정 온도 미만에서 유지함으로써 고상 확산 접합되어 있기 때문에, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 사이에 액상이 형성되지 않는다. 그 때문에, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 사이에 알루미늄과 구리의 화합물이 다량으로 생성되지 않고, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 의 접합부의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 및 제 2 면에 변형 저항이 작은 알루미늄으로 구성된 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 배치 형성되어 있고, 히트사이클이 부하된 경우에 세라믹스 기판 (11) 에 발생하는 열응력을 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 흡수하기 때문에, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 히트싱크 (31) 가 열전도성이 우수한 구리로 구성되어 있기 때문에, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 의 방열성을 향상시키는 것이 가능하다.
상기 서술한 바와 같은 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 을 사용한 히트싱크가 부착된 파워 모듈 (1) 에 있어서는, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 의 접합부에 있어서의 열저항이 작게 되어 있기 때문에, 반도체 소자 (3) 로부터 발생하는 열을 효율적으로 방산할 수 있다. 나아가서는, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 의 접합 강도가 높으므로, 히트사이클이 부하된 경우에, 접합 계면의 박리가 발생하기 어렵고, 히트싱크가 부착된 파워 모듈 (1) 의 열저항의 상승을 억제할 수 있다. 또한, 히트싱크 (31) 가 열전도성이 우수한 구리로 구성되어 있기 때문에, 반도체 소자 (3) 로부터의 열을 더욱 효율적으로 방산하는 것이 가능하다.
본 발명의 히트싱크가 부착된 파워 모듈 (1) 에 의하면, 이와 같이 반도체 소자 (3) 로부터의 열을 효율적으로 방산하고, 반도체 소자 (3) 의 온도 상승을 억제할 수 있기 때문에, 소정의 온도에서 반도체 소자 (3) 를 동작시키고, 동작의 안정성을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 변형 저항이 작은 알루미늄으로 구성되어 있기 때문에, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제하고, 히트싱크가 부착된 파워 모듈 (1) 의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또, 고상 확산 접합은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 및 제 2 면에, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 을 형성하고, 금속층 (13) 의 타방측, 즉, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면과 접합되어 있는 면과는 반대의 면에 히트싱크 (31) 를 배치한 후에, 금속층 (13) 및 히트싱크 (31) 에 대하여, 3 kgf/㎠ 이상 35 kgf/㎠ 이하의 하중이 부하된 상태에서, 400 ℃ 이상 548 ℃ 이하에서, 15 분 이상 270 분 이하 유지하는 구성으로 되어 있다. 이렇게 하여, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 가 충분히 밀착한 상태에서, 금속층 (13) 중에 히트싱크 (31) 의 구리 원자를 고상 확산시키고, 히트싱크 (31) 중에 금속층 (13) 의 알루미늄 원자를 고상 확산시켜 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 를 접합함으로써, 금속층 (13) 의 타방측에 히트싱크 (31) 를 확실히 형성할 수 있다.
또한, 이와 같이 고상 확산 접합을 실시함으로써, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 사이에 간극이 생기는 것을 억제하여 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 를 접합할 수 있기 때문에, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 의 접합 계면에 있어서의 열전도성을 양호하게 하고, 열저항을 작게 할 수 있고, 반도체 소자 (3) 로부터 발생하는 열을 히트싱크 (31) 측으로 효율적으로 방산하는 것이 가능하다.
고상 확산 접합할 때, 금속층 (13) 및 히트싱크 (31) 에 대하여 부하되는 하중이 3 kgf/㎠ 미만인 경우에는, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 를 충분히 접합시키는 것이 곤란해지고, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 사이에 간극이 생기는 경우가 있다. 또한, 35 kgf/㎠ 를 초과하는 경우에는, 부하되는 하중이 지나치게 높아 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 경우가 있다. 이러한 이유에 의해, 고상 확산 접합시에 부하되는 하중은, 상기 범위로 설정되어 있다.
고상 확산 접합할 때의 온도가 400 ℃ 미만인 경우에는, 알루미늄 원자와 구리 원자가 충분히 확산되지 않고, 고상 확산에 의한 접합이 곤란해진다. 또한, 548 ℃ 를 초과하는 경우에는, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 사이에 액상이 형성되어 알루미늄과 구리의 화합물이 다량으로 생성되기 때문에, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 의 접합이 저해되고, 접합 신뢰성이 저하된다. 이러한 이유에 의해, 고상 확산 접합시의 온도는, 상기 범위로 설정되어 있다.
또한, 고상 확산 접합시에 있어서의 진공 가열의 바람직한 온도는, 알루미늄과 구리의 공정 온도로부터 공정 온도 - 5 ℃ 이상 또한 공정 온도 미만의 범위로 되어 있다. 이러한 진공 가열의 온도를 선택했을 때에는, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 사이에 액상이 형성되지 않기 때문에 알루미늄과 구리의 화합물이 다량으로 생성되지 않고, 고상 확산 접합의 접합 신뢰성이 양호해지는 것에 더하여, 고상 확산 접합시의 확산 속도가 빠르고, 비교적 단시간에 고상 확산 접합할 수 있기 때문에 상기와 같이 설정되어 있다.
고상 확산 접합시의 가열의 유지 시간이 15 분 미만인 경우에는, 유지 시간이 지나치게 짧기 때문에 고상 확산이 충분히 발생하기 어렵고, 접합이 불충분해지는 경우가 있고, 270 분을 초과하는 경우에는, 제조 비용이 증가하기 때문에, 상기 범위로 설정되어 있다.
또한, 고상 확산 접합할 때, 접합되는 면에 흠집이 있는 경우, 고상 확산 접합시에 간극이 생기는데, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 가 접합되는 면은, 미리 당해 면의 흠집이 제거되어 평활해진 후, 고상 확산 접합되어 있기 때문에, 각각의 접합 계면에 간극이 생기는 것을 억제하여 접합하는 것이 가능하다.
(제 2 실시형태)
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해서 설명한다.
도 5 에, 본 발명의 제 2 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈 (101), 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (130), 파워 모듈용 기판 (110) 을 나타낸다. 또, 제 1 실시형태와 동일한 구성인 것에 대해서는, 동일 부호를 붙여 상세한 설명을 생략한다.
히트싱크가 부착된 파워 모듈 (101) 은, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (130) 과, 이 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (130) 의 일방측 (도 5 에 있어서 상측) 에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 를 구비하고 있다.
히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (130) 은, 파워 모듈용 기판 (110) 과, 파워 모듈용 기판 (110) 의 타방측 (도 5 에 있어서 하측) 에 접합된 히트싱크 (131) 를 구비하고 있다.
그리고, 파워 모듈용 기판 (110) 은, 도 5 에서 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) (절연층) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (제 1 면이고, 도 5 에 있어서 상면) 에 형성된 회로층 (12) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (제 2 면이고, 도 5 에 있어서 하면) 에 형성된 금속층 (113) 을 구비하고 있다.
금속층 (113) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면 (도 5 에 있어서 하면) 에, 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 제 2 실시형태에 있어서는, 금속층 (113) 은, 무산소동으로 구성되어 있다. 이 금속층 (113) 의 평균 결정 입경은 50 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다.
히트싱크 (131) 는, 알루미늄 합금 (A6063) 으로 구성되고, 내부에는 냉각용 유체가 흐르기 위한 유로 (132) 가 형성되어 있다. 제 2 실시형태에 있어서는, 히트싱크 (131) 의 평균 결정 입경이 500 ㎛ 이상으로 되어 있다.
그리고, 파워 모듈용 기판 (110) 의 금속층 (113) 과 히트싱크 (131) 가, 고상 확산 접합에 의해서 접합되어 있다.
금속층 (113) 과 히트싱크 (131) 의 접합 계면에는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 금속간 화합물층 (141) 이 형성되어 있다.
금속간 화합물층 (141) 은, 금속층 (113) 의 Cu (구리 원자) 와, 히트싱크 (131) 의 Al (알루미늄 원자) 이 상호 확산됨으로써 형성되는 것이다. 이 금속간 화합물층 (141) 에 있어서는, 히트싱크 (131) 로부터 금속층 (113) 을 향함에 따라, 점차 Al 의 농도가 낮아지고, 또한 Cu 의 농도가 높아지는 농도 구배를 갖고 있다.
이 금속간 화합물층 (141) 은, Al 과 Cu 로 이루어지는 금속간 화합물로 구성되어 있고, 제 2 실시형태에서는, 복수의 금속간 화합물이 접합 계면을 따라 적층된 구조로 되어 있다. 여기서, 이 금속간 화합물층 (141) 의 두께 t 는, 1 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내, 바람직하게는 5 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
제 2 실시형태에서는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 3 종의 금속간 화합물이 적층된 구조로 되어 있고, 히트싱크 (131) 측으로부터 금속층 (113) 측을 향하여 순서대로, θ 상 (43), η2 상 (44), ζ2 상 (45) 으로 되어 있다.
또한, 금속간 화합물층 (141) 과 금속층 (113) 의 접합 계면에는, 산화물 (46) 이 접합 계면을 따라 층상으로 분산되어 있다. 또, 제 2 실시형태에 있어서는, 이 산화물 (46) 은, 알루미나 (Al2O3) 등의 알루미늄 산화물로 되어 있다. 또, 산화물 (46) 은, 금속간 화합물층 (141) 과 금속층 (113) 의 계면에 분단된 상태로 분산되어 있고, 금속간 화합물층 (141) 과 금속층 (113) 이 직접 접촉하고 있는 영역도 존재하고 있다.
다음으로, 본 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈 (101), 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (130), 파워 모듈용 기판 (110) 의 제조 방법에 대해서 설명한다.
먼저, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (제 2 면) 에, 금속층 (113) 이 되는 구리판을 접합하고, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (제 1 면) 에 회로층 (12) 이 되는 Al 판을 접합하였다. 본 실시형태에서는, 구리판으로서 무산소동을, Al 판으로서 4N 알루미늄을 사용하고, 세라믹스 기판과 구리판의 접합을 활성 금속 납땜법으로, 세라믹스 기판과 Al 판의 접합을 Al-Si 계 납재를 사용한 접합으로 실시하였다.
다음으로, 금속층 (113) 의 타방측, 즉, 금속층 (113) 의, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면과 접합되어 있는 면과는 반대의 면에 히트싱크 (131) 를 적층한다. 그리고, 금속층 (113) 과 히트싱크 (131) 에 대하여 적층 방향에 하중을 부하한 상태에서, 금속층 (113) 및 히트싱크 (131) 의 가열 온도를 알루미늄과 구리의 공정 온도 미만에서 유지함으로써, 금속층 (113) 과 히트싱크 (131) 를 고상 확산 접합한다. 고상 확산 접합의 조건은 제 1 실시형태와 동일하다.
상기 서술한 바와 같이 하여, 제 2 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (130), 및 파워 모듈용 기판 (110) 이 얻어진다.
그리고, 회로층 (12) 의 일방측 (표면) 에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 재치하고, 환원로 내에서 땜납 접합한다.
이렇게 하여, 본 발명의 제 2 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈 (101) 이 제조된다.
이상과 같은 구성이 된 제 2 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (130) 에 의하면, 구리로 구성된 금속층 (113) 과, 알루미늄 합금 (A6063) 으로 구성된 히트싱크 (131) 가 고상 확산 접합에 의해서 접합되는 구성으로 되어 있기 때문에, 열전도성이 나쁜 그리스나 땜납을 개재하여 접합되어 있는 경우와 비교하여, 금속층 (113) 과 히트싱크 (131) 의 접합부에 있어서의 열전도성을 향상시켜, 열저항을 작게 할 수 있다.
나아가서는, 금속층 (113) 과 히트싱크 (131) 가 고상 확산 접합에 의해서 접합되어 있고, 금속층 (113) 과 히트싱크 (131) 의 접합 계면에, Cu 와 Al 로 이루어지는 금속간 화합물층 (141) 이 형성되어 있으므로, 금속층 (113) 중의 Cu (구리 원자) 와 히트싱크 (131) 중의 Al (알루미늄 원자) 이 충분히 상호 확산되어 있고, 금속층 (113) 과 히트싱크 (131) 가 강고하게 접합되어 있다.
또한, 이들 금속간 화합물층 (141) 과 금속층 (113) 의 접합 계면에 있어서, 산화물 (46) 이 접합 계면을 따라 층상으로 분산되어 있기 때문에, 히트싱크 (131) 의 표면에 형성된 산화막이 확실히 파괴되고, Cu 와 Al 의 상호 확산이 충분히 진행되어 있는 것이 되고, 금속층 (113) 과 히트싱크 (131) 가 확실히 접합되어 있다.
또한, 금속간 화합물층 (141) 의 평균 두께가 1 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내, 바람직하게는 5 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있기 때문에, 금속층 (113) 중의 Cu 와 히트싱크 (131) 중의 Al 이 충분히 상호 확산되어 있는 것이 되고, 금속층 (113) 과 히트싱크 (131) 가 강고하게 접합할 수 있음과 함께, 금속층 (113), 히트싱크 (131) 에 비해 무른 금속간 화합물층 (141) 이 필요 이상으로 성장하는 것이 억제되어 있고, 접합 계면의 특성이 안정되게 된다.
또한, 제 2 실시형태에 있어서는, 히트싱크 (131) 의 평균 결정 입경이 500 ㎛ 이상이 되고, 금속층 (113) 의 평균 결정 입경이 50 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있고, 금속층 (113), 히트싱크 (131) 의 평균 결정 입경이 비교적 크게 설정되어 있다. 따라서, 금속층 (113), 히트싱크 (131) 에는, 불필요한 변형이 축적되어 있지 않고, 피로 특성이 양호해진다. 따라서, 히트사이클 부하에 있어서, 파워 모듈용 기판 (110) 과 히트싱크 (131) 사이에 발생하는 열응력에 대한 접합 신뢰성이 향상된다.
또한, 제 2 실시형태에 있어서는 금속층 (113) 이 무산소동으로 구성되어 있기 때문에, 반도체 소자 (3) 로부터의 열을 확산시키고 효율적으로 히트싱크 (131) 측으로 전달하여 열저항을 작게 할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
또, 상기 실시형태에 있어서는, 회로층이 순도 99.99 ％ 의 4N 알루미늄으로 구성되어 있는 경우에 대해서 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 순도 99 ％ 의 알루미늄 (2N 알루미늄), 알루미늄 합금, 구리, 또는 구리 합금으로 구성되어도 된다. 구리나 구리 합금으로 회로층을 형성한 경우에는, 반도체 소자로부터의 열을 회로층에서 면방향으로 확대하고, 효율적으로 파워 모듈용 기판측으로 방산하는 것이 가능하다.
또한, 상기 실시형태에 있어서는, 금속층이 순도 99.99 ％ 의 순알루미늄으로 구성되어 있는 경우에 대해서 설명했지만, 순도 99 ％ 의 알루미늄 (2N 알루미늄) 이나 알루미늄 합금으로 구성되어도 된다. 또한, 히트싱크가 알루미늄 합금 (A6063) 으로 구성되어 있는 경우에 대해서 설명했지만, 순도 99.99 ％ 의 순알루미늄이나 다른 알루미늄 합금으로 구성되어 있어도 된다.
또한, 금속층 또는 히트싱크가 무산소동으로 구성되는 경우에 대해서 설명했지만, 터프 피치동이나 구리 합금으로 구성되어도 된다. 또한, 히트싱크의 내부에 유로가 형성되어 있는 경우에 대해서 설명했지만, 유로는 형성되어 있지 않아도 된다. 또, 히트싱크는 방열 핀을 구비하고 있어도 된다.
예를 들어, 금속층을 알루미늄 합금으로 구성하고, 히트싱크를 구리 합금으로 구성한 경우에는, 고상 확산 접합시의 가열 온도를 알루미늄 합금과 구리 합금의 공정 온도 미만으로 하면 되고, 금속층을 구성하는 금속과 히트싱크를 구성하는 금속에 따른 공정 온도 미만으로 하면 된다.
또, 절연층으로서 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판을 사용한 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, Si3N4 나 Al2O3 등으로 이루어지는 세라믹스 기판을 사용해도 되고, 절연 수지에 의해서 절연층을 구성해도 된다.
또한, 상기 실시형태의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 있어서, 세라믹스 기판의 제 1 면에, 회로층으로서 알루미늄판이 접합되어 있는 경우에 대해서 설명했지만, 예를 들어 도 7 의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (230) 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에, 회로층 (212) 으로서, 반도체 소자 등이 접합되는 다이패드 (232) 와, 외부 단자로서 사용되는 리드부 (233) 를 갖는 구리판을 접합해도 된다. 여기서, 세라믹스 기판 (11) 과 상기 서술한 구리판의 접합 방법으로는, 예를 들어 활성 금속 납땜법이나 DBC 법 등에 의한 접합 방법을 들 수 있다. 또한, 도 7 에 나타내는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (230) 에서는, 다이패드 (232) 와 세라믹스 기판 (11) 이 접합되어 있다.
또한, 도 8 에 나타내는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (330) 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (312) 이, 알루미늄층 (312A) 과, 이 알루미늄층 (312A) 의 일방측에 접합된 구리층 (312B) 을 구비하고, 이 구리층 (312B) 은, 다이패드 (332) 와 리드부 (333) 를 갖는 구리판으로 이루어지는 구성이 되어도 된다. 이 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (330) 에서는, 알루미늄층 (312A) 과, 다이패드 (332) 가, 고상 확산 접합에 의해서 접합되어 있다. 여기서, 알루미늄층 (312A) 의 일방측은, 알루미늄층 (312A) 의, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면과 접합되어 있는 면과는 반대의 면이다.
여기서, 알루미늄층 (312A) 의 두께는, 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 구리층 (312B) 의 두께는, 0.1 ㎜ 이상 6.0 ㎜ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 실시형태에서는, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 의 접합 계면에는, 금속간 화합물층 (41) 이 형성되고, 이 금속간 화합물층 (41) 은, 금속층 (13) 측으로부터 히트싱크 (31) 측을 향하여 순서대로, θ 상 (43), η2 상 (44), ζ2 상 (45) 이 적층되어 구성되어 있는 경우에 대해서 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로는, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 의 접합 계면에 있어서, 금속층 (13) 측으로부터 히트싱크 (31) 측을 향하여 순서대로, 알루미늄의 비율이 낮아지도록, 복수의 Cu 및 Al 로 이루어지는 금속간 화합물이 적층되어 있어도 된다. 또, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 금속층 (13) 과 히트싱크 (31) 의 접합 계면에는, 금속층 (13) 측으로부터 히트싱크 (31) 측을 향하여 순서대로, 전술한 접합 계면을 따라, θ 상 (443), η2 상 (444) 이 적층되고, 추가로 ζ2 상 (445), δ 상 (447), 및 γ2 상 (448) 중 적어도 하나의 상이 적층되어 구성되어 있어도 된다 (도 13).
또한, 제 1 실시형태에서는, 금속간 화합물층 (41) 과 히트싱크 (31) 의 접합 계면에는, 산화물 (46) 이, 접합 계면을 따라 층상으로 분산되어 있는 경우에 대해서 설명했지만, 예를 들어 도 10 에 나타내는 바와 같이, 금속간 화합물층 (441) 과 히트싱크 (31) 의 계면을 따라, 산화물 (446) 이, ζ2 상 (445), δ 상 (447), 및 γ2 상 (448) 중 적어도 하나의 상으로 구성된 층의 내부에 층상으로 분산되어 있는 구성이 되어도 된다. 또, 이 산화물 (446) 은, 알루미나 (Al2O3) 등의 알루미늄 산화물로 되어 있다.
또, 제 2 실시형태에서는, 금속층 (113) 과 히트싱크 (131) 의 접합 계면에는, 금속간 화합물층 (141) 이 형성되고, 이 금속간 화합물층 (141) 은, 히트싱크 (131) 측으로부터 금속층 (113) 측을 향하여 순서대로, θ 상 (43), η2 상 (44), ζ2 상 (45) 이 적층되어 구성되어 있는 경우에 대해서 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로는, 금속층 (113) 과 히트싱크 (131) 의 접합 계면에 있어서, 히트싱크 (131) 측으로부터 금속층 (113) 측을 향하여 순서대로, 알루미늄의 비율이 낮아지도록, 복수의 Cu 및 Al 로 이루어지는 금속간 화합물이 적층되어 있어도 된다. 또, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 금속층 (113) 과 히트싱크 (131) 의 접합 계면에는, 히트싱크 (131) 측으로부터 금속층 (113) 측을 향하여 순서대로, 전술한 접합 계면을 따라, θ 상 (543), η2 상 (544) 이 적층되고, 추가로 ζ2 상 (545), δ 상 (547), 및 γ2 상 (548) 중 적어도 하나의 상이 적층되어 구성되어 있어도 된다.
또한, 제 2 실시형태에서는, 금속간 화합물층 (141) 과 금속층 (113) 의 접합 계면에는, 산화물 (46) 이, 접합 계면을 따라 층상으로 분산되어 있는 경우에 대해서 설명했지만, 예를 들어 도 12 에 나타내는 바와 같이, 금속간 화합물층 (541) 과 금속층 (113) 의 계면을 따라, 산화물 (546) 이 ζ2 상 (545), δ 상 (547), 및 γ2 상 (548) 중 적어도 하나의 상으로 구성된 층의 내부에 층상으로 분산되어 있는 구성이 되어도 된다. 또, 이 산화물 (546) 은, 알루미나 (Al2O3) 등의 알루미늄 산화물로 되어 있다.
실시예
이하에, 본 발명의 효과를 확인하기 위해 실시한 확인 실험 결과에 대해서 설명한다.
도 3 의 플로우도에 기재한 순서에 따라서, 표 1 및 표 2 에 나타내는 조건에서 금속층과 히트싱크를 고상 확산 접합하여 제조된 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 사용하여, 본 발명예 1-1 ∼ 1-7, 본 발명예 2-1 ∼ 2-7, 비교예 1 및 비교예 2 의 히트싱크가 부착된 파워 모듈을 제조하였다.
또, 세라믹스 기판은, AlN 으로 구성되고, 40 ㎜ × 40 ㎜, 두께 0.635 ㎜ 인 것을 사용하였다.
또한, 회로층은, 4N 알루미늄의 압연판으로 구성되고, 37 ㎜ × 37 ㎜, 두께 0.6 ㎜ 인 것을 사용하였다.
금속층은, 본 발명예 1-1 ∼ 1-7, 및 비교예 1 에 대해서는, 4N 알루미늄의 압연판으로 구성되고, 37 ㎜ × 37 ㎜, 두께 1.6 ㎜ 인 것을 사용하였다.
또한, 본 발명예 2-1 ∼ 2-7, 및 비교예 2 에 대해서는, 무산소동의 압연판으로 구성되고, 37 ㎜ × 37 ㎜, 두께 0.3 ㎜ 인 것을 사용하였다.
히트싱크는, 본 발명예 1-1 ∼ 1-7, 및 비교예 1 에 대해서는, 무산소동으로 구성되고, 히트싱크의 내부에 냉각용 유로를 갖는 것을 사용하였다.
또, 본 발명예 2-1 ∼ 2-7, 및 비교예 2 에 대해서는, 알루미늄 합금 (A6063) 으로 구성되고, 히트싱크의 내부에 냉각용 유로를 갖는 것을 사용하였다.
반도체 소자는, IGBT 소자로 하고, 12.5 ㎜ × 9.5 ㎜, 두께 0.25 ㎜ 인 것을 사용하였다.
이렇게 하여 제조한 히트싱크가 부착된 파워 모듈에 대하여, 이하의 평가를 실시하였다.
(히트사이클 시험)
히트사이클 시험은, 히트싱크가 부착된 파워 모듈에 대하여, -40 ℃ 로부터 125 ℃ 의 히트사이클을 부하함으로써 실시한다. 본 실시예에서는, 이 히트사이클을 3000 회 실시하였다.
이 히트사이클 시험 전후에 있어서의, 금속층과 히트싱크의 계면에 있어서의 접합률 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈의 열저항을 측정하였다.
(산화물의 평가 방법)
크로스 섹션 폴리셔 (닛폰 전자 주식회사 제조 SM-09010) 를 사용하여, 이온 가속 전압 : 5 kV, 가공 시간 : 14 시간, 차폐판으로부터의 돌출량 : 100 ㎛ 로 이온 에칭한 단면을 주사형 전자 현미경 (칼자이스 NTS 사 제조 ULTRA55) 을 사용하여, 가속 전압 : 1 kV, WD : 2.5 ㎜ 이고 In-Lens 이미지, 조성 이미지의 촬영 및 EDS 분석을 실시하였다.
본 발명예 1-1 ∼ 1-7 및 2-1 ∼ 2-7 에서는, In-Lens 이미지를 촬영하면, Cu 와 금속간 화합물층의 계면을 따라 층상으로 분산된 흰 콘트라스트가 얻어졌다. 또한 같은 조건에서 조성 이미지를 촬영하면, 상기 지점은 Al 보다 어두운 콘트라스트로 되어 있었다. 또한, EDS 분석으로부터 상기 지점에 산소가 농집 (濃集) 되어 있었다. 이상의 것으로부터 Cu 와 금속간 화합물층의 계면에는, 산화물이, 상기 계면을 따라 층상으로 분산되어 있는 것을 확인하였다.
또한, 비교예 1 및 비교예 2 에서는 이러한 산화물은 확인되지 않았다. 상기 방법에 의해 산화물을 확인할 수 있었던 것을 표에서는 「유」 로 하고, 확인할 수 없었던 것을 「무」 로 기재하였다.
(금속층과 히트싱크의 접합 계면의 접합률 평가)
히트사이클 시험 전후의 히트싱크가 부착된 파워 모듈에 대하여, 금속층과 히트싱크의 접합 계면의 접합률에 대해서 초음파 탐상 장치를 사용하여 평가하고, 이하의 식으로부터 산출하였다. 여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적, 즉 금속층의 면적으로 하였다. 초음파 탐상 이미지에 있어서 박리는 백색부로 나타나므로, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 하였다.
(접합률 (％)) = {(초기 접합 면적) - (박리 면적)}/(초기 접합 면적) × 100
(열저항 평가)
열저항은, 다음과 같이 하여 측정하였다. 반도체 소자로서 히터칩을 사용하고, 100 W 의 전력으로 가열하고, 열전쌍을 사용하여 히터칩의 온도를 실측하였다. 또한, 히트싱크를 유통하는 냉각 매체 (에틸렌글리콜 : 물 = 9 : 1) 의 온도를 실측하였다. 그리고, 히터칩의 온도와 냉각 매체의 온도차를 전력으로 나눈 값을 열저항으로 하였다.
금속층을 4N 알루미늄, 히트싱크를 무산소동으로 한 본 발명예 1-1 ∼ 1-7, 및 비교예 1 의 평가 결과를 표 1 에 나타낸다.
금속층을 무산소동, 히트싱크를 알루미늄 합금 (A6063) 으로 한 본 발명예 2-1 ∼ 2-7, 및 비교예 2 의 평가 결과를 표 2 에 나타낸다.
Figure pct00001
Figure pct00002
표 1, 표 2 에 나타내는 바와 같이, Cu 와 금속간 화합물층의 계면을 따라 층상으로 분산된 산화물이 없는 비교예 1 및 비교예 2 에서는, 히트사이클 시험 전의 접합률은 높았지만, 히트사이클 시험 후의 접합률은 저하되고, 열저항은 상승하였다. 이것은, 고상 확산 접합시의 온도를 알루미늄과 구리의 공정 온도 이상으로 했기 때문이라고 추찰된다.
한편, 본 발명인 본 발명예 1-1 ∼ 1-7 및 2-1 ∼ 2-7 에서는, Cu 와 금속간 화합물층의 계면을 따라 층상으로 분산된 산화물이 있기 때문에, 히트사이클 시험 전 및 시험 후에 있어서의 접합률은 모두 높고, 또한 히트사이클 시험 전후의 열저항은 모두 낮았다.
따라서, 본 발명예 1-1 ∼ 1-7 및 2-1 ∼ 2-7 에서는, 파워 모듈용 기판과 히트싱크가 강고하게 접합되어 있는 것이 확인되었다.
산업상 이용가능성
본 발명에 의하면, 서로 접합되는 금속층 및 히트싱크의 일방이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되고, 타방이 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있는 경우에 있어서, 금속층과 히트싱크의 접합부에 있어서의 열저항을 작게 하고, 전자 부품의 온도 상승을 억제 가능한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈, 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.
1, 101 : 히트싱크가 부착된 파워 모듈
3 : 반도체 소자
10, 110 : 파워 모듈용 기판
11 : 세라믹스 기판
12, 212, 312 : 회로층
13, 113 : 금속층
30, 130, 230, 330 : 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판
31, 131 : 히트싱크
41, 141, 441, 541 : 금속간 화합물층

Claims (3)

  1. 절연층의 일방의 면에 회로층이 배치 형성되고, 상기 절연층의 타방의 면에 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판과,
    상기 파워 모듈용 기판의 상기 금속층에 접합된 히트싱크를 구비한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판으로서,
    상기 금속층 및 상기 히트싱크의 일방이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되고,
    타방이 구리 또는 구리 합금으로 구성되고,
    상기 금속층과 상기 히트싱크가 고상 확산 접합되고,
    상기 금속층과 상기 히트싱크의 접합 계면에는, Cu 와 Al 로 이루어지는 금속간 화합물층이 형성되어 있고,
    구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 상기 금속층 또는 상기 히트싱크와, 상기 금속간 화합물층의 계면에는, 산화물이 상기 계면을 따라 층상으로 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
  2. 제 1 항에 기재된 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판과, 상기 회로층의 일방측에 접합된 반도체 소자를 구비하는, 히트싱크가 부착된 파워 모듈.
  3. 절연층의 일방의 면에 회로층이 배치 형성되고, 상기 절연층의 타방의 면에 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판과,
    상기 파워 모듈용 기판의 금속층에 접합된 히트싱크를 구비한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 금속층 및 상기 히트싱크의 일방을 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성하고,
    타방을 구리 또는 구리 합금으로 구성하고,
    상기 금속층과 상기 히트싱크를 고상 확산 접합함으로써,
    상기 금속층과 상기 히트싱크의 접합 계면에, Cu 와 Al 로 이루어지는 금속간 화합물층을 형성함과 함께, 상기 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 상기 금속층 또는 상기 히트싱크와 상기 금속간 화합물층의 계면에 산화물을 상기 계면을 따라 층상으로 분산시키는 것을 특징으로 하는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
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