KR20150126845A

KR20150126845A - 파워 모듈용 기판의 제조 방법

Info

Publication number: KR20150126845A
Application number: KR1020157024050A
Authority: KR
Inventors: 도모야 오오히라키; 소타로 오이; 기미히토 니시카와; 히로마사 하야시
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2015-11-13
Also published as: US9579739B2; EP2966679A1; EP2966679A4; WO2014136683A1; CN104995730A; JP2014175425A; TW201509253A; EP2966679B1; JP5664679B2; CN104995730B; TWI601465B; KR102162780B1; US20160001388A1

Abstract

구리 회로판을 활성 금속 납땜법에 의해 세라믹스판에 접합시킬 때의 세라믹스판, 접합재 및 구리 회로판의 위치 결정 어긋남을 방지하고, 복수의 파워 모듈용 기판을 효율적으로 제조한다. 복수의 세라믹스 기판을 나열하여 형성할 수 있는 면적의 세라믹스판 (21) 에 복수의 구리 회로판 (30) 을 서로 간격을 두고 접합시킨 후, 이들 구리 회로판 (30) 사이에서 세라믹스판 (21) 을 분할하여 복수의 파워 모듈용 기판을 제조하는 방법으로서, 세라믹스판 (21) 에 구리 회로판 (30) 의 외형과 동일 형상의 활성 금속 납재로 이루어지는 접합재층 (71) 을 형성함과 함께, 구리 회로판 (30) 에 폴리에틸렌글리콜을 주성분으로 하는 가고정재 (72) 를 도포해 두고, 가고정재 (72) 에 의해 세라믹스판 (21) 상에 접합재층 (71) 과 구리 회로판 (30) 을 위치 맞춤하여 적층시킨 상태로 가고정시키고, 그 적층체를 적층 방향으로 가압하며 가열함으로써, 세라믹스판과 구리 회로판을 접합시킨다.

Description

파워 모듈용 기판의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING POWER-MODULE SUBSTRATE}

본 발명은, 대전류, 고전압을 제어하는 반도체 장치에 사용되는 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 관한 것이다.

본원은, 2013년 3월 7일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2013-45999호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래, 파워 모듈용 기판으로서, 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로판이 적층 상태로 접합됨과 함께, 타방의 면에 방열판이 적층 상태로 접합된 것이 알려져 있으며, 회로판 상에 반도체 칩 (파워 소자) 등의 전자 부품이 납땜되고, 방열판에 히트 싱크가 접합됨으로써, 파워 모듈로서 제공된다.

이와 같은 파워 모듈용 기판에 있어서, 세라믹스 기판에 회로판이나 방열판이 되는 금속판을 적층 상태로 접합시키는 방법으로서, 예를 들어 특허문헌 1 이나 특허문헌 2 에 기재된 기술이 있다.

특허문헌 1 에는, 복수의 회로 요소를 두께가 얇은 브릿지부에서 서로 접속시킨 상태의 구리 회로 조립체를 조정하는 한편, 세라믹스 기판에 Ti 등의 활성 금속을 함유하는 Ag-Cu-Ti 등의 접합재를 구리 회로 조립체의 형상 패턴으로 인쇄해 두고, 이것들을 적층시켜 가열함으로써 접합시키고, 그 후, 에칭 처리에 의해 브릿지부를 제거하는 것이 개시되어 있다.

특허문헌 2 에는, 세라믹스 모판과 금속판을 납재박을 개재하여 적층시켜 접합시킨 후, 금속판을 에칭하여 회로 패턴을 형성하고, 세라믹스 모판의 회로 패턴 사이에 홈을 형성하고 세라믹스 모판을 홈을 따라 분할함으로써, 복수의 파워 모듈용 기판을 제조하는 방법이 개시되어 있다.

일본 공개특허공보 평6-216499호 일본 공개특허공보 2010-50164호

어느 방법도 복수의 파워 모듈용 기판을 제조하는 것이 가능하여, 양산성이 우수하지만, 이들 복수의 파워 모듈용 기판을 나열하여 형성할 수 있는 크기로 형성된 면적이 큰 세라믹스판과 금속판의 대판 (大板) 끼리를 접합시키면, 접합재가 회로 요소 이외의 부분에도 젖으며 퍼진다. 금속판이 구리인 경우에는 활성 금속법에 의한 접합이 되고, 그 접합재에는 Ag 가 함유되기 때문에, 젖으며 퍼지는 부분을 에칭 등에 의해 제거하는 것은 곤란하다.

이 경우, 금속판을 미리 개편화해 두고, 그 개편의 형상에 맞춘 형상 패턴의 납재를 사용하는 것을 생각할 수 있지만, 이것들을 적층시켜 가압, 가열 처리할 때의 위치 어긋남 방지의 기술이 요망된다.

본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 구리 회로판을 활성 금속 납땜법에 의해 세라믹스판에 접합시킬 때의 세라믹스판, 접합재 및 구리 회로판의 위치 결정 어긋남을 방지하고, 복수의 파워 모듈용 기판을 효율적으로 제조할 수 있는 방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 복수의 세라믹스 기판을 나열하여 형성할 수 있는 면적의 세라믹스판에 복수의 구리 회로판을 서로 간격을 두고 접합시킨 후, 이들 구리 회로판 사이에서 상기 세라믹스판을 분할하여 복수의 파워 모듈용 기판을 제조하는 방법으로서, 상기 세라믹스판 또는 상기 구리 회로판 중 어느 일방에 상기 구리 회로판의 외형과 동일 형상의 활성 금속 납재로 이루어지는 접합재층을 형성함과 함께, 타방에 폴리에틸렌글리콜을 주성분으로 하는 가고정재를 도포해 두고, 그 가고정재에 의해 상기 세라믹스판 상에 상기 접합재층과 상기 구리 회로판을 위치 맞춤하여 적층시킨 상태로 가고정시키는 적층 공정과, 그 적층체를 적층 방향으로 가압하며 가열함으로써, 상기 세라믹스판과 상기 구리 회로판을 접합시키는 접합 공정을 갖는 것을 특징으로 한다.

이 제조 방법에 있어서는, 폴리에틸렌글리콜을 주성분으로 하는 가고정재에 의해 구리 회로판과 세라믹스판을 접합재층을 개재하여 가고정시키므로, 그 후의 접합 공정에 있어서도, 구리 회로판과 접합재층이 세라믹스판 상에서 어긋나지 않고, 이것들이 위치 결정된 상태로 유지되고, 따라서, 구리 회로판의 외측으로 접합재가 비어져 나오는 것을 방지할 수 있다.

또한, 폴리에틸렌글리콜은 상온에서 고체이고, 가열에 의해 용융되는데, 저융점의 고분자 화합물이기 때문에, 세라믹스판 또는 구리 회로판으로의 도포 작업이 용이함과 함께, 상온으로 냉각시킴으로써 고화되어 세라믹스판과 구리 회로판을 접합재층을 개재하여 접착 상태로 할 수 있고, 또, 접합 공정에 있어서는 접합 온도에 도달하기 전에 신속하게 분해되므로, 접합면에 영향을 미치지도 않는다.

본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서, 상기 접합재층이 상기 세라믹스판의 표면에 페이스트를 도포하여 형성된 것이고, 상기 적층 공정은, 상기 가고정재를 상기 구리 회로판에 도포하여 상기 세라믹스판 상의 각 접합재층에 각각 적층시키는 것으로 해도 된다.

활성 금속 납재는, 그 중에 함유되는 Ti 등의 활성 금속이 세라믹스에 함유되는 N, O 또는 C 와 반응하기 때문에, 세라믹스판에 도포하는 쪽이 세라믹스판과의 젖음성이 양호하여, 접합성이 양호해진다.

본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서, 상기 구리 회로판 중 적어도 일부는, 복수의 회로 요소를 브릿지부에 의해 접속시켜 이루어지고, 상기 브릿지부의 이면은 상기 회로 요소의 이면에 대하여 오목부가 되도록 형성되어 있는 것으로 해도 된다.

복수의 회로 요소를 일괄하여 접합시킬 수 있음과 함께, 브릿지부의 이면이 회로 요소의 이면 (접합면) 에 대하여 오목부로 되어 있으므로, 접합면으로부터 접합재가 젖으며 퍼지는 것이 억제된다.

또, 복수의 회로 요소를 브릿지부에 의해 접속시키고 있으므로, 복수의 회로 요소를 한 번에 세라믹스판에 위치 맞춤하여 적층시키는 것이 가능하다.

본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 폴리에틸렌글리콜을 주성분으로 하는 가고정재에 의해 구리 회로판과 세라믹스판을 접합재층을 개재하여 가고정시키므로, 그 후의 취급을 용이하게 하여 생산성이 향상됨과 함께, 각 부재를 정확하게 위치 결정한 상태에서 접합시킬 수 있어, 구리 회로판으로부터 접합재가 비어져 나오는 것을 방지하여, 상품 가치가 높은 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 제 1 실시형태에 있어서, 세라믹스판의 편면에 접합재층을 형성하고, 구리 회로판에 가고정재를 부착하여 적층시키는 도중의 상태를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 2 는 도 1 에 나타내는 상태로부터 세라믹스판에 구리 회로판을 적층시킨 후의 상태를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 3 은 도 2 에 나타내는 바와 같이 적층된 세라믹스판과 구리 회로판을 복수 세트 겹쳐 쌓아 접합시키고 있는 공정을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 4 는 도 3 에 나타내는 접합 공정 후에 세라믹스판의 반대면에 방열판을 적층시키는 도중의 상태를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 5 는 도 4 에 나타내는 상태로부터 방열판을 세라믹스판에 접합시킨 후의 상태를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 6 은 제 1 실시형태의 방법에 의해 얻어진 파워 모듈용 기판의 단면도이다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태의 방법에 있어서, 구리 회로판을 브릿지부에서 연결한 복수의 회로 요소에 의해 구성한 예를 나타내는 구리 회로판의 평면도이다.
도 8 은 도 7 에 있어서의 구리 회로판을 세라믹스판 상의 접합재층에 적층시키고 있는 도중의 상태를 모식적으로 나타내는 일부를 단면으로 한 정면도이다.
도 9 는 본 발명의 제 3 실시형태의 방법에 있어서, 구리 회로판에 형성된 위치 결정편을 세라믹스판에 걸어 맞춰 적층시킨 상태를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 10 은 종래예의 접합면의 초음파 측정 화상이다.
도 11 은 본 발명의 실시예에서 가고정재를 구리 회로판에 점상으로 부착한 경우의 접합면의 초음파 측정 화상이다.
도 12 는 본 발명의 실시예에서 가고정재를 구리 회로판의 전체면에 부착한 경우의 접합면의 초음파 측정 화상이다.
도 13 은 각종 가고정재를 사용하여 접합시켰을 때의 평가 결과를 나타내는 표이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 관련된 히트 싱크가 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 대해 설명한다.

먼저, 제 1 실시형태의 제조 방법에 의해 제조되는 파워 모듈용 기판을 설명하면, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 이 파워 모듈용 기판 (10) 은, 세라믹스 기판 (20) 과, 이 세라믹스 기판 (20) 의 편면에 접합된 구리 회로판 (30) 과, 세라믹스 기판 (20) 의 반대측의 표면에 접합된 방열판 (40) 을 구비하고 있다. 이 경우, 세라믹스 기판 (20) 및 방열판 (40) 은 사각형 평판상으로 형성되지만, 구리 회로판 (30) 은 원하는 회로 패턴으로 형성된다.

그리고, 이 파워 모듈용 기판 (10) 은, 도 6 의 이점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 방열판 (40) 의 세라믹스 기판 (20) 과는 반대측의 표면에 히트 싱크 (50) 가 접합됨과 함께, 구리 회로판 (30) 상에 반도체 칩 등의 전자 부품 (60) 이 땜납층 (61) 에 의해 접합되고, 이 전자 부품 (60) 과 구리 회로판 (30) 사이가 본딩 와이어 (도시 생략) 에 의해 접속되거나 함으로써, 파워 모듈이 구성된다. 또, 필요에 따라 몰드 수지 (도시 생략) 에 의해 전체가 봉지된다. 땜납층 (61) 은, Sn-Cu 계, Sn-Ag-Cu 계, Zn-Al 계 혹은 Pb-Sn 계 등의 땜납에 의해 형성된다.

세라믹스 기판 (20) 은, 예를 들어 AlN (질화알루미늄), Si₃N₄ (질화규소) 등의 질화물계 세라믹스, 혹은 Al₂O₃ (알루미나) 등의 산화물계 세라믹스를 모재로 하여 사각형상으로 형성되어 있다. 세라믹스 기판 (20) 의 두께는 0.3 ㎜ ∼ 1.0 ㎜ 로 된다.

구리 회로판 (30) 은, 무산소동이나 터프 피치동 등의 순동 또는 구리 합금 (본 발명에서는 간단히 구리라고 한다) 에 의해 형성되고, 판재를 프레스로 타발함으로써, 원하는 회로 패턴으로 형성되어 있다. 구리 회로판 (30) 의 두께는 0.3 ㎜ ∼ 4 ㎜ 로 된다. 이 구리 회로판 (30) 은, 후술하는 바와 같이, Ti 등의 활성 금속을 함유하는 Ag-Ti 나 Ag-Ti-Cu 등의 활성 금속 납재로 이루어지는 접합재에 의해 세라믹스 기판에 접합된다.

방열판 (40) 은, 순도 99.90 ％ 이상의 순알루미늄 또는 알루미늄 합금 (간단히 알루미늄이라고 한다) 에 의해 형성되고, 두께 0.5 ㎜ ∼ 2 ㎜ 이며, 통상적으로는 세라믹스 기판 (20) 보다 작은 사각형의 평판상으로 형성된다. 이 방열판 (40) 은, 세라믹스 기판 (20) 에 Al-Si 계, Al-Ge 계, Al-Cu 계, Al-Mg 계 또는 Al-Mn 계 등의 납재를 접합재로 하여 접합된다. 또한, 방열판 (40) 을 순도 99.99 ％ 이상의 순알루미늄으로 형성할 수도 있다.

다음으로, 이와 같이 구성되는 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법에 대해 설명한다.

세라믹스 기판 (20) 을 복수 나열하여 형성할 수 있는 면적의 세라믹스판 (21) 을 준비한다. 구리 회로판 (30) 및 방열판 (40) 은, 개개의 파워 모듈용 기판 (10) 에 사용되는 제품 치수의 것을 준비한다. 세라믹스판 (21) 의 편면에 먼저 구리 회로판 (30) 을 복수 나열하여 적층시키고, 그 적층체를 가압 가열하여 접합시킨 후, 세라믹스판 (21) 의 반대면에 방열판 (40) 을 각각 접합시키고, 그 후, 세라믹스판 (21) 을 분할하여 파워 모듈용 기판 (10) 으로 개편화한다. 이하, 공정순으로 상세히 서술한다.

(구리 회로판 적층 공정)

이 구리 회로판 적층 공정에 있어서는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 구리 회로판 (30) 과 세라믹스판 (21) 을 적층시킬 때의 위치 결정을 보조하기 위한 위치 결정 지그 (100) 가 사용된다. 이 위치 결정 지그 (100) 는, 각 구리 회로판 (30) 을 배치하기 위한 복수의 오목부 (101) 를 갖는 기대 (102) 와, 이들 오목부 (101) 에 배치된 구리 회로판 (30) 에 대하여 세라믹스판 (21) 을 위치 결정하면서 안내하는 가이드벽 (103) 이 형성되어 있다.

오목부 (101) 는, 구리 회로판 (30) 의 두께보다 작은 깊이를 갖고 있고, 기대 (102) 의 상면에 서로 간격을 두고 배치되어 있다. 이 오목부 (101) 에 구리 회로판 (30) 을 수용함으로써, 각 구리 회로판 (30) 의 상면이 수평면을 따라 면일 (面一) 하게 배치된다.

가이드벽 (103) 은, 기대 (102) 의 상면의 예를 들어 3 개 지점에, 복수의 오목부 (101) 의 배치 지점의 전체를 3 방향으로부터 둘러싸도록 세워져 형성되어 있다. 그리고, 이들 가이드벽 (103) 의 내측면이 수직 방향을 따라 형성되어 있고, 이들 내측면에 사각형의 세라믹스판 (21) 의 3 변을 접촉시킨 상태에서 상하 방향으로 안내하는 구성이다.

또한, 가이드벽 (103) 은, 적어도 세라믹스판 (21) 의 하나의 구석부에서 직교하는 2 변을 안내하도록 형성되어 있으면 된다.

적층 공정시에, 미리 세라믹스판 (21) 의 편면에는, 활성 금속 납재의 페이스트를 도포하여 접합재층 (71) 을 형성한다.

활성 금속 납재는, Ag 및 활성 금속 (예를 들어 Ti) 을 함유하는 금속 분말과, 에틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 폴리메틸메타크릴레이트, 아크릴 수지, 알 키드 수지 등의 유기 바인더와, 톨루엔, 시클로헥사논, 디아세톤알코올, 메틸셀로솔브, 에틸셀로솔브, 테르피네올, 텍사놀, 트리에틸시트레이트 등의 용제와, 분산제, 가소제, 환원제 등을 혼합하여 페이스트상으로 형성한 것이며, 금속 분말로서, Ag-8.8 질량％ Ti, Ag-27.4 질량％ Cu-2.0 질량％ Ti 가 바람직하게 사용된다.

이 활성 금속 납재를 스크린 인쇄법 등에 의해 세라믹스판 (21) 의 표면에 있어서의 각 구리 회로판 (30) 의 접합 예정 위치에 각각 도포함으로써, 구리 회로판 (30) 의 외형과 동일한 형상 패턴의 접합재층 (71) 을 세라믹스판 (21) 의 표면에 형성하고, 건조시켜 둔다. 활성 금속 납재는 건조됨으로써, 다공질체가 된다. 이 때문에, 접합재층 (71) 은 다수의 공공을 갖는 다공질체이다.

한편, 구리 회로판 (30) 의 편면에는 폴리에틸렌글리콜 (PEG) 을 주성분으로서 함유하는 가고정재 (72) 를 도포한다. 이 폴리에틸렌글리콜은 상온 (25 ℃) 에서 고체이고, 비교적 저융점에서 액체로 상 (相) 변태한다. 평균 중량 분자량이 800 ∼ 20000 인 것이 바람직하다. 평균 중량 분자량이 800 미만에서는 상온에서 액체가 되기 때문에 취급성이 나쁘고, 20000 을 초과하면, 융점이 높아지기 때문에 구리 회로판 (30) 으로의 도포 작업성이 나쁘다. 평균 중량 분자량 800 ∼ 1000 의 것은 융점이 약 40 ℃, 평균 중량 분자량 6000 이어도 융점 60 ℃ 정도이다.

이 가고정재 (72) 를 가온시켜 용융 상태로 하고, 예를 들어 구리 회로판 (30) 의 표면에 있어서의 구석부 등의 복수 지점에 적하함으로써, 구리 회로판 (30) 표면에 도포한다.

그리고, 이 가고정재 (72) 를 부착한 구리 회로판 (30) 을 위치 결정 지그 (100) 의 각 오목부 (101) 에 가고정재 (72) 를 상방을 향하게 한 상태로 배치한다. 위치 결정 지그 (100) 에 배치된 상태의 구리 회로판 (30) 에 가고정재 (72) 를 적하하도록 해도 된다.

그리고, 위치 결정 지그 (100) 의 기대 (102) 를 가열하거나 함으로써, 가고정재 (72) 를 용융 상태로 해두고, 그 위로부터 접합재층 (71) 을 형성한 세라믹스판 (21) 을 가이드벽 (103) 을 따라 안내하면서 적층시킴으로써, 이들 구리 회로판 (30) 과 세라믹스판 (21) 을 위치 결정 상태로 적층시킨다.

도 2 는 세라믹스판 (21) 과 구리 회로판 (30) 이 적층된 상태를 나타내고 있으며 (도 1 과는 상하를 반대로 하여 나타내고 있다), 구리 회로판 (30) 에 부착된 가고정재 (72) 는 적층에 의해 구리 회로판 (30) 과 접합재층 (71) 사이에서 얇게 펴져 층상이 됨과 함께, 다공질체인 접합재층 (71) 의 공공 내에 가고정재 (72) 가 유입되어, 양자를 고착시킨다. 이 때, 접합재층 (71) 과 구리 회로판 (30) 은 동일한 외형으로 형성되어 있으므로, 이것들이 어긋나지 않고 정확한 위치 결정 상태로 적층된다. 가고정재 (72) 는, 상온으로 냉각되면 고화되어, 구리 회로판 (30) 과 세라믹스판 (21) 의 적층체 (11) 를 위치 결정 상태로 유지한다.

또한, 대량 생산 등의 때에는, 구리 회로판 (30) 에 적하된 가고정재 (72) 를 일단 상온까지 냉각시켜 고화시켜 둠으로써, 가고정재 (72) 를 도포한 구리 회로판 (30) 을 다수 준비해 두고, 이들 구리 회로판 (30) 을 세라믹스판 (21) 에 적층시킬 때, 구리 회로판 (30) 을 순차적으로 가온시켜 가고정재 (72) 를 재용융시킨 후에 세라믹스판 (21) 에 적층시키도록 해도 된다.

(구리 회로판 접합 공정)

이와 같이 하여 적층 상태로 한 세라믹스판 (21) 과 구리 회로판 (30) 의 적층체 (11) 를 도 3 에 나타내는 바와 같이 덧댐판 (80) 을 개재시켜 복수 세트 겹쳐 쌓은 상태에서 적층 방향으로 가압하고, 그 가압 상태인 채로 진공 중에서 가열함으로써, 세라믹스판 (21) 과 구리 회로판 (30) 을 그 사이에 개재시킨 접합재층 (71) 에 의해 접합시킨다. 이 접합재 (71) 에는 활성 금속이 함유되어 있으므로, 진공 중에서 가열하면, 세라믹스판 (21) 의 표면에 활성 금속인 Ti 가 세라믹스판 (21) 에 함유되는 N 또는 O 와 반응하여 질화물이나 산화물 등을 형성함과 함께, Ag 가 구리 회로판 (30) 의 Cu 와의 반응에 의해 용융 금속층을 형성하고, 이것이 냉각 응고됨으로써 Ag-Cu 공정층 (共晶層) 을 개재하여 구리 회로판 (30) 과 세라믹스판 (21) 이 접합된다.

구체적으로는, 10^-3 ㎩ 의 진공 중에서 세라믹스판 (21) 과 구리 회로판 (30) 의 적층체 (11) 를 적층 방향으로 10 N/㎠ (1 ㎏f/㎠) ∼ 334 N/㎠ (35 ㎏f/㎠) 의 압력으로 가압한다. 덧댐판 (80) 은, 이 접합 공정시에 구리 회로판 (30) 이나 세라믹스판 (21) 에 고착되지 않도록 카본에 의해 구성된다. 그리고, 이 가압 상태에서 전체를 진공 가열로에 장입하고, 790 ℃ ∼ 850 ℃ 에서 10 분 이상 가열하고 냉각시킨다. 가고정재 (72) 는, 이 가열의 초기 단계에서 분해되어 소실된다.

이 구리 회로판 접합 공정에 의해, 세라믹스판 (21) 상에 복수의 구리 회로판 (30) 이 접합된 접합체 (12) 가 제조된다.

(방열판 접합 공정)

방열판 (40) 은, Al-Si 계, Al-Ge 계, Al-Cu 계, Al-Mg 계 또는 Al-Mn 계 등의 납재를 접합재 (73) 로 하여 세라믹스판 (21) 에 접합된다. 융점 강하 원소인 Si 를 함유한 Al-Si 계 납재가 바람직하고, 두께 5 ㎛ ∼ 50 ㎛ 의 박의 형태로 사용된다.

접합 방법으로는, 방열판 (40) 과 세라믹스판 (21) 사이에 접합재 (납재 박) (73) 을 개재시켜 적층시키거나, 혹은 방열판 (40) 을 형성하기 위한 알루미늄판에 접합재 (73) 를 용접 등에 의해 가고정시켜 두고, 프레스로 타발함으로써, 접합재 (73) 가 가고정된 방열판 (40) 을 형성하고, 그 방열판 (40) 의 접합재 (73) 측을 세라믹스판 (21) 에 중첩시켜 적층시키거나 하는 방법으로 할 수 있다. 이 방열판 (40) 의 적층 작업에 있어서도, 도 1 에 나타낸 바와 같은 위치 결정 지그를 사용해도 된다.

이 방열판 (40) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이 세라믹스판 (21) 의 구리 회로판 (30) 의 접합측과는 반대면에, 각 구리 회로판 (30) 의 접합 위치에 대응하도록 1 개씩 적층시킨다. 그리고, 전술한 구리 회로판 접합 공정과 동일하게, 방열판 (40) 을 적층시킨 적층체를 복수 세트 겹쳐 쌓고, 적층 방향으로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에서 가열함으로써, 접합재 (납재) (73) 와 방열판 (40) 의 일부의 알루미늄을 용융시키고, 냉각 응고시킴으로써 세라믹스판 (21) 에 방열판 (40) 을 접합시킨다. 가압력은 10 N/㎠ (1 ㎏f/㎠) ∼ 334 N/㎠ (35 ㎏f/㎠), 가열 온도는 550 ℃ ∼ 650 ℃ 로 된다. 가압시에 카본으로 이루어지는 덧댐판 (80) 이 사용되는 것도, 구리 회로판 접합 공정과 동일하다.

이 방열판 접합 공정에 의해, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스판 (21) 의 편면에 구리 회로판 (30), 반대면에 방열판 (40) 이 각각 접합된 접합체 (13) 가 얻어진다.

(분할 공정)

세라믹스판 (21) 의 구리 회로판 (30) 사이에 도 5 의 쇄선으로 나타내는 바와 같이 레이저 가공 등에 의해 홈 (90) 을 형성하고, 그 홈 (90) 을 따라 세라믹스판 (21) 을 분할함으로써, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (20) 의 편면에 구리 회로판 (30), 반대면에 방열판 (40) 이 접합된 개개의 파워 모듈용 기판 (10) 이 형성된다.

세라믹스판 (21) 의 홈 (90) 은, 구리 회로판 (30) 을 접합시키기 전에 형성해 두어도 된다.

이와 같이 하여 제조되는 파워 모듈용 기판 (10) 은, 구리 회로판 접합 공정 전에, 구리 합금판 적층 공정에 있어서 구리 회로판 (30) 을 가고정재 (72) 에 의해 세라믹스판 (21) 상의 접합재층 (71) 에 가고정시켜 두므로, 그 후의 구리 회로판 접합 공정에서의 접합 작업 중 등에 있어서 구리 회로판 (30) 과 세라믹스판 (21) 의 접합재층 (71) 의 위치 어긋남이 방지되어, 구리 회로판 (30) 을 세라믹스판 (21) 의 소정 위치에 정확하게 위치 결정한 상태에서 접합시킬 수 있다.

도 7 및 도 8 은 본 발명의 제 2 실시형태를 나타내고 있다. 전술한 제 1 실시형태와 공통 요소에는 동일 부호를 부여하고 설명을 간략화한다.

도 7 은 세라믹스판 (21) 에 접합되기 전의 구리 회로판 (33) 을 나타내고 있으며, 이 구리 회로판 (33) 은 복수의 회로 요소 (33a) 가 브릿지부 (33b) 에 의해 접속된 상태로 형성되어 있다. 이 브릿지부 (33b) 는, 회로 요소 (33a) 보다 박육 (薄肉) 하게 형성됨과 함께, 도 8 에 나타내는 바와 같이 회로 요소 (33a) 의 이면 (접합면) 에 대하여 오목부가 되도록 회로 요소 (33a) 의 상면측에 배치되어 있다.

그리고, 세라믹스판 (21) 에 전술한 제 1 실시형태에 있어서의 구리 회로판 적층 공정과 동일하게, 구리 회로판 (33) 의 이면에 폴리에틸렌글리콜을 주성분으로서 함유하는 가고정재 (72) 를 부착해 두고, 세라믹스판 (21) 표면의 접합재층 (71) 상에 가고정된다. 세라믹스판 (21) 의 접합재층 (71) 도, 구리 회로판 (33) 의 각 회로 요소 (33a) 의 형상, 배치에 대응하여 형성된다.

그리고, 제 1 실시형태와 동일하게, 구리 회로판 접합 공정, 방열층 접합 공정, 분할 공정을 실시하는데, 구리 회로판 접합 공정 후, 구리 회로판 (33) 의 브릿지부 (33b) 를 제거하기 위한 에칭 처리가 실시된다. 브릿지부 (33b) 는 세라믹스판 (21) 의 표면으로부터 이간되어, 접합되지 않은 상태이므로, 에칭 처리에 의해 용이하게 제거할 수 있다.

이 실시형태와 같이, 구리 회로판 (33) 이 복수의 회로 요소 (33a) 로 이루어지는 경우에도, 폴리에틸렌글리콜을 주성분으로 하는 가고정재 (72) 에 의해 세라믹스판 (21) 과 각 구리 회로판 (33) 을 정확하게 위치 결정한 상태로 적층시킬 수 있고, 그 취급을 용이하게 할 수 있음과 함께, 접합재 (71) 와의 어긋남이 방지되므로, 불필요한 부분이 확실히 제거된 구리 회로판을 얻을 수 있다.

도 9 는 제 3 실시형태를 나타내고 있다.

이 실시형태에 있어서는, 복수의 구리 회로판 (30) 을 브릿지부 (35) 에 의해 연결 상태로 한 구리 회로판 구성체 (36) 가 형성되고, 이 구리 회로판 구성체 (36) 의 단부에 직각으로 굴곡된 위치 결정편 (37) 이 형성되어 있고, 구리 회로판 적층 공정에 있어서 구리 회로판 (30) 을 세라믹스판 (21) 에 적층시킬 때, 위치 결정편 (37) 이 세라믹스판 (21) 의 측면에 맞닿음으로써, 구리 회로판 구성체 (36) 의 각 구리 회로판 (30) 과 세라믹스판 (21) 이 일괄하여 위치 결정되도록 되어 있다. 이 경우, 위치 결정편 (37) 은 세라믹스판 (21) 의 구석부에서 직각으로 교차하는 2 변에 맞닿도록 2 개 지점에 형성된다.

구리 회로판 구성체 (36) 를 세라믹스판 (21) 에 적층시킨 후에는, 제 1 실시형태와 동일하게, 구리 회로판 접합 공정, 방열판 접합 공정, 분할 공정을 거쳐 파워 모듈용 기판이 제조되는데, 그 도중에 구리 회로판 구성체 (36) 의 각 브릿지부 (35) 및 위치 결정편 (37) 이 에칭 처리 등에 의해 제거된다.

실시예

31 ㎜ 사방 × 두께 2 ㎜ 의 구리 회로판에 평균 중량 분자량 1000 의 폴리에틸렌글리콜로 이루어지는 가고정재를 적하하고, 33 ㎜ 사방 × 두께 0.635 ㎜ 의 질화알루미늄제 세라믹스 기판에는 Ag-8.8 질량％ Ti 로 이루어지는 접합재층을 형성하고, 이것들을 적층시켜 10^-3 ㎩ 의 진공 중에서 10 N/㎠ (1 ㎏f/㎠) ∼ 334 N/㎠ (35 ㎏f/㎠) 의 압력으로 가압하고, 850 ℃ 에서 30 분간 가열하였다.

가고정재를 스폿적으로 부착한 것과 구리 회로판의 전체면에 도포한 것으로, 접합 상태를 평가하였다. 평가는 초음파 화상 측정기에 의해, 접합면에 있어서의 미접합부의 유무를 관찰하였다. 가고정재를 사용하지 않는 종래예의 것도 제조하였다.

도 10 이 가고정재를 사용하지 않은 종래예, 도 11 이 가고정재를 구리 회로판의 4 구석에 직경 3 ㎜ ∼ 4 ㎜ 의 점상으로 도포한 실시예, 도 12 는 구리 회로판의 전체면에 가고정재를 도포한 실시예를 나타낸다. 가고정재의 도포량은, 도 11 이 합계 6.9 ㎎ ∼ 9.2 ㎎, 도 12 가 37.3 ㎎ ∼ 41.5 ㎎ 이었다.

이들 도면에 있어서, 검은 사각형 부분이 접합면이고, 미접합부는 희어지는데, 가고정재를 사용한 것은 둘레 가장자리까지 명확하고, 따라서 가고정재를 사용하였다고 하더라도 접합성에는 영향이 없음을 알 수 있다.

다음으로, 가고정재로서, 폴리에틸렌글리콜 (PEG), 세메다인사 제조의 시아노아크릴레이트계 순간 접착제 (3000RX), 미츠비시 레이온사 제조의 수지 시트 (BR101), 글리세린, 유동 파라핀을 사용한 평가를 실시하였다.

이들 가고정재를 사용하여 구리 회로판을 세라믹스판의 접합재층 상에 적층시키고, 진공 중에서 가압 가열하여 얻어진 접합체에 대하여, 가로 어긋남, 페이스트 박리, Cu/AlN 접합성을 평가하였다.

가로 어긋남은, 구리 회로판에 가고정재를 각각 부착하여 세라믹스판의 접합층에 적층시키고, 냉각 후에 세라믹스판을 가로로 약 30 ㎜/s 의 속도로 흔들어 구리 회로판에 어긋남이 발생하는지의 여부를 육안으로 확인함으로써 평가하였다. 가로 어긋남이 확인되지 않은 것을 ○, 가로 어긋남이 발생한 것을 × 로 하였다.

페이스트 박리는, 구리 회로판을 접합재층에 적층시킨 후, 접합재층의 Ag-Ti 페이스트가 가고정재와의 반응에 의해 용해됨으로써, 박리가 발생하지 않는지의 여부를 육안으로 평가하였다. 페이스트 박리가 확인되지 않은 것을 ○, 박리가 확인된 것을 × 로 하였다.

Cu/AlN 접합성은, 접합 후의 초기 상태, 및 -40 ℃ 와 100 ℃ 사이의 냉열 사이클을 3000 회 부하한 후의 상태에서, 각각 전술한 초음파 화상 측정기에 의해, 접합면의 미접합부의 유무를 관찰함으로써 평가하였다. 접합면에 2 ％ 이상의 미접합부가 확인되지 않은 것을 ○, 5 ％ 이상의 미접합부 또는 직경 2 ㎜ 이상의 보이드가 확인된 것을 × 로 하고, 어느 것에도 해당되지 않는 경미한 미접합부가 확인되는 것을 △ 로 하였다.

이것들의 결과를 도 13 에 나타낸다.

도 13 에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 방법에 있어서는, 세라믹스판과 구리 회로판을 가고정재에 의해 적층 상태로 함으로써, 이들 세라믹스판과 구리 회로판의 가로 어긋남이 없고, 그 후의 취급 작업성이 양호함을 알 수 있다. 또, 접합재층을 박리시키는 등의 악영향을 미치지 않아, 신뢰성이 높은 접합면을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 실시형태의 구성의 것에 한정되는 것이 아니며, 세부 구성에 있어서는, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경을 부가하는 것이 가능하다.

실시형태에서는 구리 회로판에 폴리에틸렌글리콜을 주성분으로 하는 가고정재를 부착하고, 세라믹스판에 활성 금속 납재로 이루어지는 접합재층을 형성하였지만, 반대로, 세라믹스판에 가고정재를 부착하고, 구리 회로판에 접합재층을 형성해도 된다.

또, 상기 실시형태에 있어서의 접합재층 (71) 의 형성을 활성 금속 납재의 박을 사용하여 실시해도 된다.

산업상 이용가능성

본 발명은, 대전류, 고전압을 제어하는 반도체 장치에 사용되는 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈에 적용할 수 있다.

10 : 파워 모듈용 기판
20 : 세라믹스 기판
21 : 세라믹스판
30 : 구리 회로판
35 : 구리 회로판
35a : 회로 요소
35b : 브릿지부
40 : 방열판
50 : 히트 싱크
60 : 전자 부품
61 : 땜납층
71 : 접합재층
72 : 가고정재
80 : 덧댐판
90 : 홈
100 : 위치 결정 지그
101 : 오목부
102 : 가이드벽

Claims

복수의 세라믹스 기판을 나열하여 형성할 수 있는 면적의 세라믹스판에 복수의 구리 회로판을 서로 간격을 두고 접합시킨 후, 이들 구리 회로판 사이에서 상기 세라믹스판을 분할하여 복수의 파워 모듈용 기판을 제조하는 방법으로서,
상기 세라믹스판 또는 상기 구리 회로판 중 어느 일방에 상기 구리 회로판의 외형과 동일 형상의 활성 금속 납재로 이루어지는 접합재층을 형성함과 함께, 타방에 폴리에틸렌글리콜을 주성분으로 하는 가고정재를 도포해 두고, 그 가고정재에 의해 상기 세라믹스판 상에 상기 접합재층과 상기 구리 회로판을 위치 맞춤하여 적층시킨 상태로 가고정시키는 적층 공정과,
그 적층체를 적층 방향으로 가압하며 가열함으로써, 상기 세라믹스판과 상기 구리 회로판을 접합시키는 접합 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 접합재층이 상기 세라믹스판의 표면에 페이스트를 도포하여 형성된 것이고, 상기 적층 공정은, 상기 가고정재를 상기 구리 회로판에 도포하여 상기 세라믹스판 상의 각 접합재층에 각각 적층시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 구리 회로판 중 적어도 일부는, 복수의 회로 요소를 브릿지부에 의해 접속시켜 이루어지고, 상기 브릿지부의 이면은 상기 회로 요소의 이면에 대하여 오목부가 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 구리 회로판 중 적어도 일부는, 복수의 회로 요소를 브릿지부에 의해 접속시켜 이루어지고, 상기 브릿지부의 이면은 상기 회로 요소의 이면에 대하여 오목부가 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.