KR20150097597A - 파워 모듈용 기판의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

히트 싱크 접합시의 세라믹스 기판과 방열층의 박리를 억제한다. 　세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 구리로 이루어지는 회로층 (12) 이 접합되고, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 알루미늄으로 이루어지는 방열층 (13) 이 접합되어 이루어지는 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법으로서, 세라믹스 기판 (11) 에 회로층 (12) 을 납땜 접합하는 회로층 접합 공정과, 회로층 접합 공정 후에 세라믹스 기판 (11) 의 상기 타방의 면의 산화막 두께를 적어도 세라믹스 기판 (11) 과 방열층 (13) 의 접합 예정 영역의 둘레 가장자리부에서 3.2 ㎚ 이하로 하는 표면 처리 공정과, 표면 처리 공정 후에 세라믹스 기판 (11) 의 상기 타방의 면에 방열층 (13) 을 납땜 접합하는 방열층 접합 공정을 구비한다.

Description

파워 모듈용 기판의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING SUBSTRATE FOR POWER MODULES}
본 발명은 대전류, 고전압을 제어하는 반도체 장치에 사용되는 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은 2012년 12월 17일에 출원된 일본 특허출원 2012-275157호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
종래의 파워 모듈용 기판으로서, 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층이 되는 금속판이 적층되고, 세라믹스 기판의 타방의 면에 방열층이 되는 금속판이 적층된 구성의 것이 알려져 있다. 그리고, 이 회로층 상에 반도체 칩 등의 전자 부품이 납땜됨과 함께, 방열층에 히트 싱크가 접합된다.
이런 종류의 파워 모듈용 기판에 있어서, 회로층이 되는 금속판에 전기적 특성이 우수한 구리를 사용하고, 방열층이 되는 금속판에는 세라믹스 기판과의 사이의 열응력을 완화할 목적에서 알루미늄을 사용하는 경우가 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에는, 세라믹스 기판의 일방의 면에 구리판이 접합되고, 타방의 면에는 알루미늄판이 접합된 회로 기판이 개시되어 있다. 이 경우, 세라믹스 기판과 구리판은 활성 금속을 사용한 납재에 의해서 접합되고, 세라믹스 기판과 알루미늄판은 Al-Si 계 납재에 의해서 접합된다. Ag-Cu-Ti 계의 활성 금속 납재를 사용한 경우의 접합 온도는 800 ∼ 930 ℃, Al-Si 계 납재에 의한 접합 온도는 500 ∼ 650 ℃ 이다.
일본 공개특허공보 2003-197826호
특허문헌 1 에 기재되어 있는 바와 같이, 세라믹스 기판과 구리판을 활성 금속을 사용한 납땜에 의해서 접합했을 경우, 800 ∼ 930 ℃ 에서 접합되기 때문에 세라믹스 기판의 타방의 면에 산화막이 형성된다. 이 산화막이 형성된 상태에서 방열층을 납땜해도, 산화막이 존재함으로써 세라믹스 기판과 방열층의 접합 계면에서 박리가 발생될 가능성이 있다.
특히, 세라믹스 기판과 방열층의 접합 계면 중에서, 가장 열응력이 가해지는 둘레 가장자리부에 있어서 박리가 진행될 가능성이 있다. 또, 방열층과 히트 싱크 사이를 플럭스를 사용하여 납땜할 경우, 플럭스가 산화막을 제거하는 효과를 갖기 때문에, 세라믹스 기판과 방열층의 접합 계면의 둘레 가장자리부의 산화막이 플럭스에 의해서 침식되어, 세라믹스 기판과 방열층의 접합 계면의 박리가 더욱 진행되는 문제가 있었다.
본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 특히 히트 싱크 접합시의 세라믹스 기판과 방열층의 박리를 억제하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 세라믹스 기판의 일방의 면에, 구리로 이루어지는 회로층을 납땜하는 회로층 접합 공정과, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에, 알루미늄으로 이루어지는 방열층을 납땜하는 방열층 접합 공정과, 상기 회로층 접합 공정 후, 상기 방열층 접합 공정 전에, 상기 세라믹스 기판의 상기 타방의 면의 산화막 두께를, 적어도 상기 세라믹스 기판과 상기 방열층의 접합 예정 영역의 둘레 가장자리부에서 3.2 ㎚ 이하로 하는 표면 처리 공정을 갖고, 상기 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 상기 일방의 면에 접합된 상기 회로층과, 상기 세라믹스 기판의 상기 타방의 면에 접합된 상기 방열층을 갖는 파워 모듈 기판을 제조한다.
본 발명에서는, 방열층을 접합하기 전에, 세라믹스 기판과 방열층의 접합 예정 영역의 둘레 가장자리부에서 산화막의 두께를 3.2 ㎚ 이하로 함으로써, 세라믹스 기판과 방열층의 접합 계면에서 박리를 저감할 수 있다. 또한, 플럭스를 사용한 납땜의 경우, 플럭스에 의한 세라믹스 기판과 방열층의 접합 계면으로의 침식을 억제할 수 있다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서, 상기 표면 처리 공정에서는, 상기 세라믹스 기판의 상기 타방의 면을 염산, 질산, 황산에서 선택되는 1 종 이상의 산으로 세정하면 된다.
세라믹스 기판의 표면을 세정할 경우, 알칼리를 사용하면 세라믹스 기판을 침식시킨다. 또, 블라스트 처리 등의 기계적 처리에서는 표면부에 응력이 잔류하여 크랙 등의 원인이 될 우려가 있다. 산 중에서 특히 염산은 산화 작용이 약하고, 또, 회로층에 부착되어도 침식시키지 않기 때문에 산화막 제거를 위한 표면 처리에 바람직하다.
본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 고온의 가열 처리가 되는 회로층과 세라믹스 기판의 접합 후에 세라믹스 기판에 표면 처리를 실시하고, 표면의 산화막을 소정의 두께 이하로 하고 나서 방열층을 접합하기 때문에, 세라믹스 기판과 방열층의 접합 계면에 있어서, 접합 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.
도 1 은 본 발명에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 플로 차트이다.
도 2 는 본 발명의 제조 방법을 이용하여 제조된 파워 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 제조 방법에서 사용되는 가압 지그의 예를 나타내는 측면도이다.
도 4 는 산화막 두께의 측정 지점을 나타내는 정면도이다.
이하, 본 발명에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 실시형태에 대해서 설명한다.
도 2 에 나타내는 파워 모듈 (100) 은, 파워 모듈용 기판 (10) 과, 파워 모듈용 기판 (10) 의 표면에 탑재된 반도체 칩 등의 전자 부품 (20) 과, 파워 모듈용 기판 (10) 의 이면에 접합된 히트 싱크 (30) 로 구성되어 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (회로층면) 에 회로층 (12) 이 두께 방향으로 적층되고, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (방열층면) 에 방열층 (13) 이 두께 방향으로 적층된 상태로 접합되어 있다.
세라믹스 기판 (11) 은 AlN, Al2O3, SiC 등에 의해서, 예를 들어 0.32 ㎜ ∼ 1.0 ㎜ 의 두께로 형성되어 있다. 회로층 (12) 은 무산소동이나 터프 피치동 등의 순동 또는 구리 합금에 의해서 형성되어 있다. 방열층 (13) 은 순도 99.00 ％ 이상의 순알루미늄 또는 알루미늄 합금에 의해서 형성되어 있다. 이들 회로층 (12) 및 방열층 (13) 의 두께는 예를 들어 0.25 ㎜ ∼ 2.5 ㎜ 이다.
본 실시형태의 파워 모듈용 기판 (10) 은, 예를 들어 바람직한 조합 예로는, 두께 0.635 ㎜ 의 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (11), 두께 0.6 ㎜ 의 순동판으로 이루어지는 회로층 (12), 및 두께 1.6 ㎜ 의 4N-알루미늄판으로 이루어지는 방열층 (13) 으로 구성된다.
이들 세라믹스 기판 (11), 회로층 (12) 및 방열층 (13) 의 접합은 후술하는 바와 같이 2 회로 나누어 행해진다. 즉, 세라믹스 기판 (11) 의 회로층면에 회로층 (12) 을 먼저 접합한 후, 세라믹스 기판 (11) 의 방열층면에 방열층 (13) 을 접합한다. 이 경우, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합에는, 예를 들어 Ag - 27.4 질량％ Cu - 2.0 질량％ Ti 의 활성 금속 납재가 사용된다. 세라믹스 기판 (11) 과 방열층 (13) 의 접합에는, 예를 들어 Al-Si 계 또는 Al-Ge 계의 납재가 사용된다.
다음으로, 이와 같이 구성되는 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법에 대해서 설명한다. 그 플로 차트를 도 1 에 나타낸다.
전술한 바와 같이, 먼저 세라믹스 기판 (11) 의 회로층면에 회로층 (12) 을 접합 (회로층 접합 공정) 한 후, 세라믹스 기판 (11) 의 방열층면에 방열층 (13) 을 접합한다 (방열층 접합 공정). 또, 회로층 (12) 을 접합한 후, 방열층 (13) 을 접합하기 전에, 회로층 (12) 이 접합되어 있지 않은 측의 세라믹스 기판 (11) 의 표면 (방열층면) 에 표면 처리를 실시한다 (표면 처리 공정). 그 후, 방열층 (13) 에 히트 싱크 (30) 를 접합한다. 이하, 이들 공정을 순서대로 설명한다.
(회로층 접합 공정)
회로층 (12) 을, 페이스트 또는 박으로 이루어지는 활성 금속 납재를 개재시켜 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (회로층면) 에 적층하여, 적층체 (40) 를 형성한다. 이 적층체 (40) 를, 카본그라파이트 등으로 이루어지는 판상의 쿠션 시트 (50) 사이에 끼운 상태에서 복수 쌍 중첩시키고, 도 3 에 나타내는 가압 지그 (110) 에 의해서 적층 방향으로 예를 들어 0.3 ㎫ ∼ 1.0 ㎫ 로 가압한다.
가압 지그 (110) 는, 베이스판 (111) 과, 베이스판 (111) 의 상면의 4 개의 코너에 수직으로 장착된 가이드 포스트 (112) 와, 이들 가이드 포스트 (112) 의 상단부에 고정된 고정판 (113) 과, 베이스판 (111) 과 고정판 (113) 사이에서 상하로 자유롭게 이동할 수 있는 가이드 포스트 (112) 에 지지된 압압판 (押壓板) (114) 과, 고정판 (113) 과 압압판 (114) 사이에 형성되어 압압판 (114) 을 하방으로 탄성 지지하는 스프링 등의 탄성 지지 수단 (115) 을 구비하고 있다. 베이스판 (111) 과 압압판 (114) 사이에, 전술한 적층체 (40) 및 쿠션 시트 (50) 가 배치 형성된다.
이 가압 지그 (110) 에 의해서 적층체 (40) 를 가압한 상태에서, 가압 지그 (110) 전체를 가열로 (도시 생략) 내에 설치하고, 진공 분위기 중에서 800 ℃ 이상 930 ℃ 이하의 온도에서 1 분 ∼ 60 분 가열함으로써 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 을 납땜한다.
이 납땜은 활성 금속 납재를 사용한 접합이고, 납재 중의 활성 금속인 Ti 가 세라믹스 기판 (11) 에 우선적으로 확산되어 TiN 을 형성하고, Ag-Cu 합금을 개재하여 회로층 (12) 과 세라믹스 기판 (11) 을 접합한다.
(표면 처리 공정)
회로층 접합 공정시에, 세라믹스 기판 (11) 의 회로층 (12) 과는 반대면 (방열층면) 도 고온에 노출되기 때문에 그 표면에 산화막이 형성된다. 표면 처리 공정에서는, 그 세라믹스 기판 (11) 에 발생된 산화막을 삭감한다.
세라믹스 기판 (11) 의 방열층면을 산에 의해서 세정함으로써 산화막이 삭감된다. 세정용 산으로는 염산, 질산, 황산에서 선택되는 1 종 이상이 사용된다. 그 중에서도 염산은 산화 작용이 약하기 때문에 특히 바람직하고, 예를 들어 18 질량％ 염산이 사용된다.
구체적으로는, 회로층 (12) 이 접합된 세라믹스 기판 (11) 을 18 ％ 염산에 5 분간 침지한 후, 끌어올리고, 표면의 산을 제거하기 위해서 증류수로 세정하고, 추가로 알코올류에 침지한 후에 건조시킨다. 알코올류로는 예를 들어 에탄올을 이용할 수 있다.
이 표면 처리에 질산을 사용하는 경우에는, 침지가 아니고, 세라믹스 기판 (11) 의 방열층면에 스프레이 등에 의해서 분사하도록 해도 된다. 이로써, 회로층 (12) 에 질산이 부착됨에 따른 침식의 발생을 방지할 수 있다.
이 표면 처리 공정에 의해서, 세라믹스 기판 (11) 의 방열층면의 산화막의 두께를, 적어도 세라믹스 기판 (11) 과 방열층 (13) 의 접합 예정 영역의 둘레 가장자리부에서 3.2 ㎚ 이하로 삭감한다. 후술하는 바와 같이, 히트 싱크 (30) 의 납땜시에 플럭스가 침식될 경우, 침식은 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 계면의 외주부에 있어서 발생되기 때문에, 접합 계면의 외주부에 있어서의 산화막의 두께를 소정치 이하로 하는 것이 중요하다. 여기서, 산화막의 두께를 규정하는 둘레 가장자리부는, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 예정 영역의 둘레 가장자리로부터의 거리가 예를 들어 1 ㎜ 인 위치로 한다. 산화막의 두께는 X 선 광전자 분광 분석법 (XPS : X-ray Photoelectron Spectroscopy) 에 의한 표면 상태의 분석 결과 등에 의해서 측정할 수 있다.
(방열층 접합 공정)
표면 처리 후의 세라믹스 기판 (11) 의 방열층면에 납재를 개재시킨 상태에서 방열층 (13) 을 적층하고, 이 적층체를 전술한 쿠션 시트 (50) 사이에 끼운 상태로 하여 복수 쌍 중첩시키고, 가압 지그 (110) 에 의해서 적층 방향으로 예를 들어 0.3 ㎫ ∼ 1.0 ㎫ 로 가압한다 (도시 생략).
그리고, 이 가압 지그 (110) 에 의해서 적층체를 가압한 상태에서, 가압 지그 (110) 전체를 가열로 (도시 생략) 내에 설치하고, 진공 분위기 중에서 630 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 온도에서 1 분 ∼ 60 분 가열함으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 방열층 (13) 을 납땜하여 파워 모듈용 기판 (10) 을 제조한다.
이와 같이 하여 제조되는 파워 모듈용 기판 (10) 은, 회로층 접합 공정시에 발생되는 세라믹스 기판 (11) 표면의 산화막이 표면 처리 공정에 의해서 삭감된 후에 방열층 접합 공정이 실시되기 때문에, 세라믹스 기판 (11) 과 방열층 (13) 의 접합 계면에 존재하는 산화막이 매우 적어, 세라믹스 기판 (11) 과 방열층 (13) 의 접합 계면에 있어서의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 표면 처리 공정에 있어서 세라믹스 기판 (11) 의 전체면의 산화막 두께를 삭감하는 것이 바람직하지만, 세라믹스 기판 (11) 과 방열층 (13) 의 접합 계면 중에서, 가장 열응력이 가해지는 외주부에 있어서 박리가 진행될 가능성이 있기 때문에, 세라믹스 기판 (11) 과 방열층 (13) 의 접합 예정 영역의 외주부에 있어서, 적어도 둘레 가장자리부의 산화막의 두께를 전술한 3.2 ㎚ 이하로 하면 된다.
실시예
이상에서 설명한 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의한 효과를 확인하기 위해서 실험을 행하였다.
먼저, 시료 a ∼ g 로서, 사방 30 ㎜ 의 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판을 준비하였다. 이 중, 시료 b ∼ g 의 세라믹스 기판에 대해서, 활성 금속 납땜 접합을 상정하여 860 ℃ 에서 30 분의 열처리를 가하였다. 그리고, 열처리를 가한 시료 b ∼ g 중에서, 시료 c ∼ g 에 대해서 아래와 같이 산에 의한 표면 처리를 행하였다. 각 처리 후의 시료 a ∼ g 에 있어서의 각 산화막 두께를 측정하였다.
a : 열처리 없음
b : 열처리만
c : 열처리 후, 18 질량％ 염산에 2.5 분 침지
d : 열처리 후, 18 질량％ 염산에 5 분 침지
e : 열처리 후, 18 질량％ 염산에 10 분 침지
f : 열처리 후, 30 질량％ 질산 수용액에 5 분 침지
g : 열처리 후, 14 질량％ 황산 수용액에 5 분 침지
산화막 두께는 XPS 분석에 의해서 측정하였다. 그 분석 조건은 아래와 같다.
X 선원 : Standard AlKα 350 W
패스 에너지 : 187.85 eV (Survey), 58.5 eV (Depth)
측정 간격 : 0.8 eV/step (Survey), 0.125 eV (Depth)
시료면에 대한 광 전자 취출각 : 45 deg
분석 에어리어 : 약 800 ㎛φ
스퍼터레이트 : 1.6 ㎚/min
XPS 분석에 의한 산소 피크 면적이 초기의 1/2 로 된 지점까지를 산화막 두께로 가정하고, 스퍼터 시간과 스퍼터레이트로부터 산화막의 두께를 계산하였다. 산화막 두께의 측정은, 도 4 에 점 A 로 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 에 대한 방열층 (13) (4N-알루미늄판) 의 접합 예정 영역 S 의 둘레 가장자리로부터 내측으로 1 ㎜ 의 위치에서, 접합 예정 영역 S 의 중심을 통과하는 X 축, Y 축상의 4 개 지점에 대해서 행하고, 그 평균을 각 시료 a ∼ g 에 있어서의 산화막 두께로 하였다 (표 1).
다음으로, 표면 처리 후의 각 시료 b ∼ g 에 대해서, 세라믹스 기판의 표면에, 방열층 (13) 을 본떠 4N-알루미늄판을 Al-Si 계 납재에 의해서 접합하였다. 이 4N-알루미늄판에 대해서, 히트 싱크 (30) 를 본떠 알루미늄 합금판을 플럭스를 사용하여 납땜하고, 각 시료 b ∼ g 에 있어서의 세라믹스 기판과 4N-알루미늄판 사이의 접합성에 대해서 평가하였다.
「접합성」으로는 초음파 탐상 장치를 사용하여 세라믹스 기판과 알루미늄판의 접합 상태를 평가하였다. 접합률 = (접합 예정 면적 - 비접합 면적)/접합 예정 면적의 식으로부터 산출하고, 접합률이 85 ％ 이상인 것을 양호, 85 ％ 에 달하지 않은 것을 불량으로 하였다. 초음파 탐상 장치에 의해서 접합면을 촬영한 초음파 탐상 이미지에 있어서, 비접합부는 백색부로 나타내어진다. 따라서, 접합 예정 영역 S 내의 백색부의 면적을 측정하여 비접합 면적으로 하였다. 또, 접합 예정 면적은 접합 예정 영역 S 의 면적, 요컨대 알루미늄판의 면적으로 하였다. 접합성의 평가 결과를 표 1 에 나타낸다.
Figure pct00001
시료 a 와 시료 b 를 비교하면, 열처리에 의해서 세라믹스 기판 표면의 산화막 두께가 증대된 것을 알 수 있다. 또, 이 시료 a, b 와 비교하면, 산에 의한 표면 처리에 의해서 시료 c ∼ g 에 있어서의 산화막의 두께는 감소된 것을 알 수 있다. 그리고, 표면 처리에 의해서 산화막이 3.2 ㎚ 이하로 감소된 시료 c ∼ g 에 대해서는 양호한 접합성을 얻을 수 있었다. 비접합 부분은 대부분이 접합 계면의 외주부에 한정되기 때문에, 그 외주부에 대해서 산화막을 삭감할 수 있으면 양호한 접합성을 발휘할 수 있는 것을 알 수 있었다.
또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변경을 추가할 수 있다.
산업상 이용가능성
파워 모듈용 기판의 제조에 있어서, 특히 히트 싱크 접합시의 세라믹스 기판과 방열층의 박리를 억제한다.
10 : 파워 모듈용 기판
11 : 세라믹스 기판
12 : 회로층
13 : 방열층
20 : 전자 부품
30 : 히트 싱크
40 : 적층체
50 : 쿠션 시트
110 : 가압 지그
111 : 베이스판
112 : 가이드 포스트
113 : 고정판
114 : 압압판
115 : 탄성 지지 수단

Claims (3)

  1. 세라믹스 기판의 일방의 면에, 구리로 이루어지는 회로층을 납땜하는 회로층 접합 공정과,
    상기 세라믹스 기판의 타방의 면에, 알루미늄으로 이루어지는 방열층을 납땜하는 방열층 접합 공정과,
    상기 회로층 접합 공정 후, 상기 방열층 접합 공정 전에, 상기 세라믹스 기판의 상기 타방의 면의 산화막 두께를, 적어도 상기 세라믹스 기판과 상기 방열층의 접합 예정 영역의 둘레 가장자리부에서 3.2 ㎚ 이하로 하는 표면 처리 공정을 갖고,
    상기 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 상기 일방의 면에 접합된 상기 회로층과, 상기 세라믹스 기판의 상기 타방의 면에 접합된 상기 방열층을 갖는 파워 모듈용 기판을 제조하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 처리 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판의 상기 타방의 면을 염산, 질산, 황산에서 선택되는 1 종 이상의 산으로 세정하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 둘레 가장자리부는 상기 접합 예정 영역의 둘레 가장자리로부터 1 ㎜ 의 위치인 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
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