KR20160031497A - 접합체 및 파워 모듈용 기판 - Google Patents

접합체 및 파워 모듈용 기판 Download PDF

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노부유키 데라사키
요시유키 나가토모
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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 접합체는, 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재가 Cu-P-Sn 계 납재 및 Ti 재를 개재하여 접합된 접합체로서, 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재의 접합 계면에는, 상기 세라믹스 부재측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 Cu 부재와 상기 Cu-Sn 층 사이에 위치하고, P 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층이 형성되어 있다.

Description

접합체 및 파워 모듈용 기판{ASSEMBLY AND POWER-MODULE SUBSTRATE}
본 발명은, 세라믹스 부재와 Cu 부재가 접합된 접합체, 및 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층이 형성된 파워 모듈용 기판에 관한 것이다.
본원은, 2013년 8월 26일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2013-175001호, 및 2014년 7월 15일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2014-145115호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
LED 나 파워 모듈 등의 반도체 장치는, 도전 재료로 이루어지는 회로층 상에 반도체 소자가 접합된 구조를 구비한다.
풍력 발전, 전기 자동차 등의 전기 차량 등을 제어하기 위해 사용되는 대전력 제어용의 파워 반도체 소자는, 발열량이 많다. 이 때문에, 이와 같은 파워 반도체 소자를 탑재하는 기판으로서, 예를 들어 AlN (질화알루미늄) 등으로 이루어지는 세라믹스 기판의 일방의 면에 도전성이 우수한 금속판을 회로층으로서 접합시킨 파워 모듈용 기판이 종래부터 널리 사용되고 있다. 또, 세라믹스 기판의 타방의 면에 금속판을 금속층으로서 접합시키는 경우도 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에 개시되는 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) 의 일방의 면에 Cu 판 (Cu 부재) 을 접합시킴으로써 회로층이 형성된 구조로 되어 있다. 이 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판의 일방의 면에 Cu-Mg-Ti 납재를 개재시켜 Cu 판을 배치한 상태에서, 가열 처리를 실시함으로써 Cu 판이 접합되어 있다.
일본 특허공보 제4375730호
그런데, 특허문헌 1 에 개시된 바와 같이, Cu-Mg-Ti 납재를 개재하여 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합시키면, 세라믹스 기판의 근방에는, Cu, Mg, 또는 Ti 를 함유하는 금속간 화합물이 형성된다.
이 세라믹스 기판 근방에 형성되는 금속간 화합물은 단단하기 때문에, 파워 모듈용 기판에 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 기판에 발생하는 열응력이 커져, 세라믹스 기판에 크랙이 발생하기 쉬워지는 문제가 있었다.
또, 세라믹스 기판과 회로층을 접합시킬 때에 세라믹스 기판의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되면, 세라믹스 기판과 회로층의 접합률이 저하되어, 이것들을 양호하게 접합시킬 수 없을 우려가 있었다.
본 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 세라믹스 부재와 Cu 부재가 양호하게 접합되고, 또한 냉열 사이클이 부하되었을 때, 세라믹스 부재에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있는 접합체, 및 파워 모듈용 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제 1 양태에 관련된 접합체는, 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재가 Cu-P-Sn 계 납재 및 Ti 재를 개재하여 접합된 접합체로서, 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재의 접합 계면에는, 상기 세라믹스 부재측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 Cu 부재와 상기 Cu-Sn 층 사이에 위치하고, P 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층이 형성되어 있다.
본 발명의 제 1 양태에 관련된 접합체에 의하면, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 접합 계면에 있어서, Cu-P-Sn 계 납재에 함유되는 P 가, Cu 부재측에 형성된 금속간 화합물층에 도입된다. 이로써, P 를 함유하는 금속간 화합물을 갖지 않거나 혹은 P 를 함유하는 금속간 화합물이 매우 적은 Cu-Sn 층이 세라믹스 부재측에 형성되어 있다. 즉, 세라믹스 부재의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되어 있지 않으므로, 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 부재에 발생하는 열응력을 저감시킬 수 있다. 그 결과, 세라믹스 부재에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 접합 계면에 있어서, 세라믹스 부재의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되어 있지 않으므로, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 접합률이 향상되어, 세라믹스 부재와 Cu 부재가 양호하게 접합되어 있다.
또, 상기 금속간 화합물층이, 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu-Sn 층의 계면으로부터 0.1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하의 범위 내에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 금속간 화합물층이 세라믹스 부재와 Cu-Sn 층의 계면으로부터 0.1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하의 범위 내에 형성되어 있으므로, 세라믹스 부재의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되어 있지 않아, 냉열 사이클이 부하되어도 세라믹스 부재에 크랙이 발생하는 것을 확실하게 억제할 수 있다. 또, 상기 서술한 바와 같이, 세라믹스 부재의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되어 있지 않으므로, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 접합률을 확실하게 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제 2 양태에 관련된 파워 모듈용 기판은, 상기 서술한 접합체로 이루어지고, 상기 세라믹스 부재로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 제 1 면에 Cu-P-Sn 계 납재를 개재하여 상기 Cu 부재로 이루어지는 Cu 판이 접합되어 이루어지는 회로층을 구비하고, 상기 세라믹스 기판과 상기 회로층의 접합 계면에는, 상기 세라믹스 기판측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 회로층과 상기 Cu-Sn 층 사이에 위치하고, P 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층이 형성되어 있다.
본 발명의 제 2 양태에 관련된 파워 모듈용 기판에 의하면, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 계면에 있어서, Cu-P-Sn 계 납재에 함유되는 P 가, 회로층측에 형성된 금속간 화합물층에 도입된다. 이로써, P 를 함유하는 금속간 화합물을 갖지 않거나 혹은 P 를 함유하는 금속간 화합물이 매우 적은 Cu-Sn 층이 세라믹스 기판측에 형성되어 있다. 즉, 세라믹스 기판의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되어 있지 않으므로, 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 기판에 발생하는 열응력을 저감시킬 수 있다. 그 결과, 세라믹스 기판에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 계면에 있어서, 세라믹스 기판의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되어 있지 않으므로, 세라믹스 기판과 회로층의 접합률이 향상되어, 세라믹스 기판과 회로층이 양호하게 접합되어 있다.
또, 본 발명의 제 2 양태에 관련된 파워 모듈용 기판에 있어서, 상기 세라믹스 기판의 제 2 면에 금속층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 세라믹스 기판의 제 2 면에 금속층이 형성되어 있으므로, 금속층을 통하여 세라믹스 기판측의 열을 효율적으로 방산시킬 수 있다.
또, 상기 금속층은, 상기 세라믹스 기판의 제 2 면에 Cu-P-Sn 계 납재 및 Ti 재를 개재하여 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 판이 접합되어 이루어지고, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속층의 접합 계면에는, 상기 세라믹스 기판측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 금속층과 상기 Cu-Sn 층 사이에 위치하고, P 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 세라믹스 기판과 금속층의 접합 계면에 있어서, Cu-P-Sn 계 납재에 함유되는 P 가, 금속층측에 형성된 금속간 화합물층에 도입된다. 이로써, P 를 함유하는 금속간 화합물을 갖지 않거나 혹은 P 를 함유하는 금속간 화합물이 매우 적은 Cu-Sn 층이 세라믹스 기판측에 형성되어 있다. 즉, 세라믹스 기판의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되어 있지 않으므로, 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 기판에 발생하는 열응력을 저감시킬 수 있다. 그 결과, 세라믹스 기판에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또, 세라믹스 기판과 금속층의 접합 계면에 있어서, 세라믹스 기판의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되어 있지 않으므로, 세라믹스 기판과 금속층의 접합률이 향상되어, 세라믹스 기판과 금속층이 양호하게 접합되어 있다.
또, 상기 금속층은, Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 구성으로 되어도 된다.
이 경우, Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 금속층은 강도가 낮으므로, 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 기판에 발생하는 열응력을 저감시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 세라믹스 부재와 Cu 부재가 양호하게 접합되고, 또한 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 부재에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있는 접합체, 및 파워 모듈용 기판을 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 3 은 도 2 에 나타내는 회로층과 세라믹스 기판의 접합 계면에 있어서의 단면을 촬영한 전자 현미경 사진과 그 개략도이다.
도 4 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 5 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 8 은 도 7 에 나타내는 금속층과 세라믹스 기판의 접합 계면에 있어서의 단면의 개략도이다.
도 9 는 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 10 은 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 11 은 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 12 는 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 13 은 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 14 는 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 15 는 본 발명의 제 4 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 16 은 본 발명의 제 4 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 회로층과 세라믹스 기판의 접합 계면에 있어서의 단면을 촬영한 전자 현미경 사진이다.
도 17 은 본 발명의 제 4 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 18 은 본 발명의 제 4 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
(제 1 실시형태)
이하에 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 먼저, 본 발명의 제 1 실시형태에 대해 설명한다.
본 실시형태에 관련된 접합체는, 세라믹스 부재인 세라믹스 기판 (11) 과, Cu 부재인 Cu 판 (22) (회로층 (12)) 이 접합되어 이루어지는 파워 모듈용 기판 (10) 이다. 도 1 에 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 을 구비한 파워 모듈 (1) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (1) 은, 회로층 (12) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (10) 과, 회로층 (12) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 접합층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 제 1 면과 제 2 면을 갖는 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면인 제 1 면 (도 2 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (12) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄), Si3N4 (질화규소), Al2O3 (알루미나) 등의 세라믹스로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (11) 은 방열성이 우수한 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.
회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 도전성을 갖는 Cu 또는 Cu 합금의 금속판 (Cu 판 (22)) 을 Cu-P-Sn 계의 납재 및 Ti 재를 개재하여 접합시킴으로써 형성되어 있다. Cu 판 (22) 은 예를 들어, 무산소동, 탈산 구리, 터프 피치동 등으로 되어도 되고, 본 실시형태에서는 무산소동으로 되어 있다. 또, Cu 판 (22) 의 두께는 0.1 ∼ 1.0 ㎜ 의 범위로 되는 것이 바람직하고, 본 실시형태에서는 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
Cu-P-Sn 계의 납재로서, 구체적으로는, Cu-P-Sn 납재, Cu-P-Sn-Ni 계 납재, Cu-P-Sn-Zn 계 납재, Cu-P-Sn-Mn 계 납재, Cu-P-Sn-Cr 계 납재 등을 들 수 있다. Cu-P-Sn 계의 납재에는, P 가 3 mass％ 이상 10 mass％ 이하, Sn 이 0.5 mass％ 이상 25 mass％ 이하 함유되는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, Cu-P-Sn 계의 납재로서 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 를 사용하고 있다. 또한, Cu-P-Sn 계 납재의 융점은 710 ℃ 이하이고, 본 실시형태에서 사용되는 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 의 융점은 580 ℃ 이다. 또한, 본 실시형태에 있어서 Cu-P-Sn 계 납재의 고상선 온도를 융점으로 하고 있다.
본 실시형태에 있어서, 회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 재 (25), 및 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (22) 을 적층시킨 상태에서, 이것들을 가열 처리하여 Cu 판 (22) 을 접합시킴으로써, 형성되어 있다 (도 5 참조).
여기서, 회로층 (12) 에 있어서 세라믹스 기판 (11) 측은, Sn 이 Cu 중에 확산된 구조로 되어 있다.
또한, 회로층 (12) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
도 3 에 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 계면의 전자 현미경 사진 및 그 개략도를 나타낸다. 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 계면에는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 측에 위치하는 Cu-Sn 층 (14) 과, 회로층 (12) 과 Cu-Sn 층 (14) 사이에 위치하고 P, Ni, 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층 (17) 이 형성되어 있다.
Cu-Sn 층 (14) 은, Sn 이 Cu 중에 고용된 층이다. 이 Cu-Sn 층 (14) 은, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 에 함유되는 P 및 Ni 가, 회로층 (12) 측에 형성된 금속간 화합물층 (17) 에 도입됨으로써 형성되는 층이다. Cu-Sn 층 (14) 의 두께를 0.1 ㎛ 이상 140 ㎛ 이하의 범위로 설정해도 된다.
금속간 화합물층 (17) 은, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 에 함유되는 P 및 Ni 가, Ti 재 (25) 에 함유되는 Ti 와 결합됨으로써 형성된다. 이 금속간 화합물층 (17) 은, P-Ni-Ti 상 (17a), P-Ti 상 (17b), Cu-Ni-Ti 상 (17c) 중 어느 1 종 이상을 갖는다. 본 실시형태에 있어서, 금속간 화합물층 (17) 은, 도 3 에 나타내는 바와 같이, P-Ni-Ti 상 (17a) 과 P-Ti 상 (17b) 과 Cu-Ni-Ti 상 (17c) 을 갖고 있다.
즉, 이들 P-Ni-Ti 상 (17a) 과 P-Ti 상 (17b) 과 Cu-Ni-Ti 상 (17c) 에 의해, 층상으로 금속간 화합물층 (17) 이 형성되어 있는 것이다.
여기서, 금속간 화합물층 (17) 은, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu-Sn 층 (14) 의 계면으로부터 0.1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하의 범위 내에 형성되어 있다. 또, 금속간 화합물층 (17) 은, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu-Sn 층 (14) 의 계면으로부터 1.0 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위 내에 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 금속간 화합물층 (17) 의 두께를 0.5 ㎛ 이상 6 ㎛ 이하로 해도 된다.
반도체 소자 (3) 는, Si 등의 반도체 재료로 구성되어 있다. 이 반도체 소자 (3) 와 회로층 (12) 은, 접합층 (2) 을 개재하여 접합되어 있다.
접합층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 되어 있다.
다음으로, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (10), 및 파워 모듈 (1) 의 제조 방법에 대해, 도 4 의 플로우도 및 도 5 를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면인 제 1 면 (도 5 에 있어서 상면) 에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 재 (25), 및 회로층 (12) 이 되는 Cu 판 (22) 을 순서대로 적층시킨다 (적층 공정 S01). 즉, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 사이에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 측에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 를 배치하고, Cu 판 (22) 측에 Ti 재로서 Ti 재 (25) 를 배치하고 있다.
본 실시형태에 있어서, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 의 조성은, Cu-7 mass％ P-15 mass％ Sn-10 mass％ Ni 로 되어 있다. 또, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 는 박재를 사용하며, 그 두께는 5 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다.
또, Ti 재 (25) 의 두께는, 0.1 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다. 여기서, Ti 재 (25) 는, 두께가 0.1 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 미만인 경우에는 증착이나 스퍼터에 의해 성막하는 것이 바람직하고, 두께가 0.5 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하인 경우에는 박재를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, Ti 재 (25) 의 바람직한 두께는 0.5 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 범위 내이며, 나아가서는 1.0 ㎛ 이상 4.0 ㎛ 이하의 범위 내이다. Ti 재 (25) 는 순도 99.4 ％ 이상으로 되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, Ti 재 (25) 로서 두께 2.0 ㎛, 순도 99.8 ％ 의 Ti 박을 사용하였다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11), Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 재 (25), 및 Cu 판 (22) 을 적층 방향으로 가압 (압력 1 ㎏f/㎠ 이상 35 ㎏f/㎠ 이하 (0.10 ㎫ 이상 3.43 ㎫ 이하)) 한 상태에서, 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다 (가열 처리 공정 S02). 여기서, 본 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력을 10-6 ㎩ 이상 10-3 ㎩ 이하의 범위 내로, 가열 온도를 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간을 30 분 이상 360 분 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
이 가열 처리 공정 S02 에 있어서는, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 가 용융되어 액상이 형성되고, 이 액상에 Ti 재 (25) 가 용해되고, 액상이 응고됨으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 이 접합된다. 이 때, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 중에 함유되는 P 및 Ni 는 Ti 재 (25) 의 Ti 와 결합하여, P-Ni-Ti 상 (17a), P-Ti 상 (17b), Cu-Ni-Ti 상 (17c) 중 적어도 1 종 이상으로 이루어지는 금속간 화합물층 (17) 이 형성됨과 함께, 세라믹스 기판 (11) 측에는, P 및 Ni 를 함유하는 금속간 화합물을 갖지 않거나 혹은 P 및 Ni 를 함유하는 금속간 화합물이 매우 적은 Cu-Sn 층 (14) 이 형성된다.
또, 접합시에 있어서, Sn 은 금속간 화합물층 (17) 보다 회로층 (12) 측으로 확산되기 때문에, 회로층 (12) 에 있어서 금속간 화합물층 (17) 의 근방은, Cu 중에 Sn 이 확산된 구조로 된다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, Ti 재 (25) 의 두께가 0.1 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 범위 내로 되어, 비교적 얇게 설정되어 있으므로, Ti 재 (25) 가 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 의 액상 중에 용해된다. 이 때문에, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 계면에 있어서, Ti 재 (25) 가 잔존하지 않는다.
이로써, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 회로층 (12) 이 형성되어, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 이 제조된다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (10) 의 회로층 (12) 의 상면에 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 접합시킨다 (반도체 소자 접합 공정 S03).
이와 같이 하여, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈 (1) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (10) 에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 계면에 있어서, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 에 함유되는 P 및 Ni 가, 회로층 (12) 측에 형성된 금속간 화합물층 (17) 에 도입됨으로써, P 및 Ni 를 함유하는 금속간 화합물을 갖지 않는 Cu-Sn 층 (14) 이 세라믹스 기판 (11) 측에 형성되어 있다. 즉, 세라믹스 기판 (11) 의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되어 있지 않으므로, 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 기판 (11) 에 발생하는 열응력을 저감시켜, 세라믹스 기판 (11) 에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 계면에 있어서, 상기 서술한 바와 같이 세라믹스 기판 (11) 의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되어 있지 않으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 을 접합시킬 때에 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합률이 향상되어, 세라믹스 기판과 금속층이 양호하게 접합된다.
또한, 금속간 화합물층 (17) 이 세라믹스 기판 (11) 과 Cu-Sn 층 (14) 의 계면으로부터 0.1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하의 범위 내에 형성되어 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되어 있지 않아, 냉열 사이클이 부하되어도 세라믹스 기판 (11) 에 크랙이 발생하는 것을 확실하게 억제할 수 있다.
또, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 이 접합될 때에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 의 액상과 Cu 판 (22) 이 직접 접촉하므로, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 의 액상이 응고되어 형성되는 Cu-Sn 층 (14) 및 금속간 화합물층 (17) 과 회로층 (12) 이 강고하게 접합된다. 또한, Sn 은 금속간 화합물층 (17) 보다 회로층 (12) 측으로 확산되어, 회로층 (12) 에 있어서 금속간 화합물층 (17) 의 근방에서는, Cu 중에 Sn 이 확산된 구조로 되어 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 강도가 향상된다.
또한, Ti 재 (25) 의 두께가 0.1 ㎛ 이상, 바람직하게는 0.5 ㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 1.0 ㎛ 이상으로 되어 있으므로, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 에 함유되는 P 및 Ni 를 확실하게 Ti 와 결합시켜 금속간 화합물층 (17) 을 형성하고, P 및 Ni 를 함유하는 금속간 화합물을 갖지 않거나 혹은 매우 적은 Cu-Sn 층 (14) 을 형성할 수 있다. 또, Ti 재 (25) 의 두께가 5 ㎛ 이하로 되어 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 이 접합될 때에 Ti 재 (25) 가 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 의 액상 중에 용해되어, 접합 계면에 비교적 강도가 높은 Ti 층이 형성되지 않는다. 그 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 세라믹스 기판 (11) 에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또, Cu 판 (22) 으로 이루어지는 회로층 (12) 과 비교하여 열저항이 큰 Ti 층이 형성되지 않으므로, 파워 모듈용 기판 (10) 의 열저항을 저감시킬 수 있다.
이와 같은 이유에 의해, Ti 재 (25) 의 두께는 0.1 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다.
또, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (10), 파워 모듈 (1) 에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 Cu 판 (22) 으로 이루어지는 회로층 (12) 이 형성되어 있으므로, 반도체 소자 (3) 로부터의 열을 확산시켜 세라믹스 기판 (11) 측으로 방산시킬 수 있다. 또, Cu 판 (22) 은 비교적 변형 저항이 크므로, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 회로층 (12) 의 변형이 억제되고, 반도체 소자 (3) 와 회로층 (12) 을 접합시키는 접합층 (2) 의 변형을 억제하여, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또, 본 실시형태의 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 사이에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 와 Ti 재 (25) 를 개재시킨 상태에서 가열 처리를 실시하므로, 가열시에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 가 용융된 액상에 Ti 가 용해되고, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 의 액상과 세라믹스 기판 (11) 의 젖음성이 양호해진다.
또, 가열 처리 공정 S02 에 있어서, 가열 온도가 600 ℃ 이상인 경우, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 의 접합 계면에 있어서, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 를 확실하게 용융시켜 Ti 재 (25) 를 용해시킬 수 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 을 확실하게 접합 가능해진다. 또, 가열 온도가 650 ℃ 이하인 경우, 세라믹스 기판 (11) 이 열열화되는 것을 억제할 수 있음과 함께, 세라믹스 기판 (11) 에 발생하는 열응력을 저감시킬 수 있다. 이와 같은 이유 때문에, 본 실시형태에서는, 가열 온도는 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
또, 가열 처리 공정 S02 에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 등에 가해지는 압력이 1 ㎏f/㎠ (0.10 ㎫) 이상인 경우, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 의 액상을 밀착시킬 수 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu-Sn 층 (14) 을 양호하게 접합시킬 수 있다. 또, 가해지는 압력이 35 ㎏f/㎠ (3.43 ㎫) 이하인 경우, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이와 같은 이유 때문에, 본 실시형태에서는, 가해지는 압력은 1 ㎏f/㎠ 이상 35 ㎏f/㎠ 이하 (0.10 ㎫ 이상 3.43 ㎫ 이하) 의 범위 내로 설정되어 있다.
가열 처리 공정 S02 에 있어서, 가열 시간이 30 분 이상인 경우, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 의 접합 계면에 있어서, 용융된 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 에 함유되는 P 와 Ti 재 (25) 에 함유되는 Ti 가 결합하는 시간이 충분히 확보되므로, 세라믹스 기판 (11) 측에 Cu-Sn 층을 확실하게 형성 가능해진다. 또, 가열 시간이 360 분을 초과해도, 가열 시간이 360 분인 경우 이상으로 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합성이 향상되지 않는다. 또한, 가열 시간이 360 분을 초과하면 생산성이 저하된다. 이와 같은 이유 때문에, 본 실시형태에서는, 가열 시간은 30 분 이상 360 분 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 납재의 융점이 580 ℃ 인 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 를 사용하고 있으므로, 저온에서 납재의 액상을 형성할 수 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서, Cu-P-Sn-Ni 납재의 고상선 온도를 융점으로서 사용하고 있다.
(제 2 실시형태)
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해 설명한다. 또한, 제 1 실시형태와 동일한 구성에 대해서는, 동일한 부호를 부여하여 기재하고, 상세한 설명을 생략한다.
도 6 에 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (110) 을 구비한 파워 모듈 (101) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (101) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 상에 회로층 (112) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (110) 과, 회로층 (112) 의 일방의 면 (도 6 에 있어서 상면) 에 접합층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 파워 모듈용 기판 (110) 의 타방측 (도 6 에 있어서 하측) 에 배치된 히트 싱크 (130) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (110) 은, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면인 제 1 면 (도 7 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (112) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면인 제 2 면 (도 7 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (113) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 방열성이 우수한 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다.
회로층 (112) 은, 제 1 실시형태와 동일하게, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 재 (25), 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (122) 을 순서대로 적층시킨 상태에서, 이것들을 가열 처리하여 Cu 판 (122) 을 접합시킴으로써 형성되어 있다 (도 10 참조).
또한, 회로층 (112) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 제 2 실시형태에서는, 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
그리고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (112) 의 접합 계면에는, 제 1 실시형태와 동일하게, 세라믹스 기판 (11) 측에 위치하는 Cu-Sn 층 (제 1 Cu-Sn 층) (14) 과, 회로층 (112) 과 Cu-Sn 층 (14) 사이에 위치하고 P, Ni, 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층 (제 1 금속간 화합물층) (17) 이 형성되어 있다.
금속층 (113) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면인 제 2 면에 Cu 또는 Cu 합금의 금속판이 Cu-P-Sn 계의 납재를 개재하여 접합됨으로써 형성되어 있다. 제 2 실시형태에 있어서, 금속층 (113) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 재 (25) 로서 Ti 박, 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (122) 을 적층시킨 상태에서, 이것들을 가열 처리하여 Cu 판 (122) 을 접합시킴으로써 형성되어 있다 (도 10 참조).
이 금속층 (113) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (113) 의 접합 계면에는, 세라믹스 기판 (11) 측에 위치하는 Cu-Sn 층 (제 2 Cu-Sn 층) (114) 과, 금속층 (113) 과 Cu-Sn 층 (114) 사이에 위치하고 P, Ni, 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층 (제 2 금속간 화합물층) (117) 이 형성되어 있다. 금속간 화합물층 (117) 은, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 에 함유되는 P 및 Ni 가 Ti 재 (25) 에 함유되는 Ti 와 결합함으로써 형성된다. 금속간 화합물층 (117) 은, P-Ni-Ti 상 (117a), P-Ti 상 (117b), Cu-Ni-Ti 상 (117c) 중 어느 1 종 이상을 갖는다.
본 실시형태에 있어서, 금속간 화합물층 (117) 은, 도 8 에 나타내는 바와 같이, P-Ni-Ti 상 (17a) 과 P-Ti 상 (17b) 과 Cu-Ni-Ti 상 (17c) 을 갖고 있다.
즉, Cu-Sn 층 (제 2 Cu-Sn 층) (114) 은 Cu-Sn 층 (제 1 Cu-Sn 층) (14) 과, 금속간 화합물층 (제 2 금속간 화합물층) (117) 은 금속간 화합물층 (제 1 금속간 화합물층) (17) 과 실질적과 동일한 구조를 갖는다. 그리고, 이 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (113) 의 접합 계면은, 상기 서술한 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (112) 의 접합 계면과 동일한 구조로 되어 있다.
히트 싱크 (130) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (110) 으로부터의 열을 방산시키기 위한 것이다. 이 히트 싱크 (130) 는 Cu 또는 Cu 합금으로 구성되어 있고, 본 실시형태에서는 무산소동으로 구성되어 있다. 이 히트 싱크 (130) 에는, 냉각용 유체가 흐르기 위한 유로 (131) 가 형성되어 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서는, 히트 싱크 (130) 와 금속층 (113) 이 땜납재로 이루어지는 땜납층 (132) 에 의해 접합되어 있다.
다음으로, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈 (101) 의 제조 방법에 대해, 도 9 의 플로우도 및 도 10 을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 (도 10 에 있어서 상면) 에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 재 (25), 및 회로층 (112) 이 되는 Cu 판 (122) 을 순서대로 적층시킨다 (제 1 적층 공정 S11). 그것과 함께, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면 (도 10 에 있어서 하면) 에도 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 재 (25), 및 금속층 (113) 이 되는 Cu 판 (123) 을 순서대로 적층시킨다 (제 2 적층 공정 S12). 즉, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (122, 123) 사이에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 측에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 를 배치하고, Cu 판 (122, 123) 측에 Ti 재 (25) 를 배치하고 있다.
또한, Ti 재 (25) 의 두께는 0.1 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다. 여기서, Ti 재 (25) 는, 두께가 0.1 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 미만인 경우에는 증착이나 스퍼터에 의해 성막하는 것이 바람직하고, 두께가 0.5 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하인 경우에는 박재를 사용하는 것이 바람직하다. 또, Ti 재 (25) 의 바람직한 두께는 0.5 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 범위 내이며, 나아가서는 1.0 ㎛ 이상 4.0 ㎛ 이하의 범위 내이다. 본 실시형태에서는, 두께 1.0 ㎛ 의 Ti 재 (25) 를 사용하였다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11), Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 재 (25), 및 Cu 판 (122, 123) 을 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 ㎏f/㎠ (0.10 ∼ 3.43 ㎫)) 한 상태에서, 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다 (가열 처리 공정 S13). 여기서, 제 2 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력을 10-6 ㎩ 이상 10-3 ㎩ 이하의 범위 내로, 가열 온도를 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간을 30 분 이상 360 분 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
이 가열 처리 공정 S13 에 있어서는, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상에 Ti 재 (25) 가 용해되고, 액상이 응고됨으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (122, 123) 이 접합된다.
이로써, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 회로층 (112) 이 형성되고, 제 2 면에 금속층 (113) 이 형성되어, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 이 제조된다.
이어서, 파워 모듈용 기판 (110) 의 금속층 (113) 의 하면에 땜납재를 개재하여 히트 싱크 (130) 를 접합시킨다 (히트 싱크 접합 공정 S14).
다음으로, 파워 모듈용 기판 (110) 의 회로층 (112) 의 상면에 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 접합시킨다 (반도체 소자 접합 공정 S15).
이와 같이 하여, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈 (101) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (110) 에 있어서는, 제 1 실시형태에서 설명한 파워 모듈용 기판 (10) 과 동일한 효과를 발휘한다.
또, 파워 모듈용 기판 (110) 에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면에 Cu 판 (123) 으로 이루어지는 금속층 (113) 이 형성되어 있으므로, 반도체 소자 (3) 로부터의 열을 금속층 (113) 을 통하여 효율적으로 방산시킬 수 있다.
그리고, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (113) 의 접합 계면에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (112) 의 접합 계면과 동일하게, 세라믹스 기판 (11) 측에 Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층 (114) 이 형성되어 있고, 세라믹스 기판 (11) 의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되어 있지 않다. 이 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 기판 (11) 에 발생하는 열응력을 저감시켜, 세라믹스 기판 (11) 에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (113) 의 접합 계면에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되어 있지 않으므로, 세라믹스 기판과 금속층의 접합률이 향상되어, 세라믹스 기판과 금속층이 양호하게 접합되어 있다.
또, 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (110) 에 있어서, 금속층 (113) 에는 히트 싱크 (130) 가 접합되어 있으므로, 히트 싱크 (130) 로부터 열을 효율적으로 방산시킬 수 있다.
또, 제 2 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (110) 의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면인 제 1 면에 회로층 (112) 을, 타방의 면인 제 2 면에 금속층 (113) 을 동시에 접합시키는 구성으로 되어 있으므로, 제조 공정을 간략화하고, 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
(제 3 실시형태)
다음으로, 본 발명의 제 3 실시형태에 대해 설명한다. 또한, 제 1 실시형태와 동일한 구성에 대해서는, 동일한 부호를 부여하여 기재하고, 상세한 설명을 생략한다.
도 11 에 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (210) 을 구비한 파워 모듈 (201) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (201) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 상에 회로층 (212) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (210) 과, 회로층 (212) 의 일방의 면 (도 11 에 있어서 상면) 에 접합층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 파워 모듈용 기판 (210) 의 타방측 (도 11 에 있어서 하측) 에 접합층 (232) 을 개재하여 접합된 히트 싱크 (230) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (210) 은, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면인 제 1 면 (도 12 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (212) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면인 제 2 면 (도 12 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (213) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 방열성이 우수한 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다.
회로층 (212) 은, 제 1 실시형태와 동일하게, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 재 (25) 로서 Ti 박, 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (222) 을 순서대로 적층시키고, 이것들을 가열 처리하여 Cu 판 (222) 을 접합시킴으로써 형성되어 있다 (도 14 참조).
또한, 회로층 (212) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 제 3 실시형태에서는, 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
그리고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (212) 의 접합 계면에는, 제 1 실시형태와 동일하게, 세라믹스 기판 (11) 측에 위치하는 Cu-Sn 층 (14) 과, 회로층 (212) 과 Cu-Sn 층 (14) 사이에 위치하고 P, Ni, 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층 (17) 이 형성되어 있다.
금속층 (213) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면인 제 2 면에 Al 또는 Al 합금의 금속판이 접합재 (227) 를 개재하여 접합됨으로써 형성되어 있다. 제 3 실시형태에 있어서, 금속층 (213) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면에 순도 99.99 질량％ 이상의 Al 판 (223) 을 접합시킴으로써 형성되어 있다 (도 14 참조).
이 금속층 (213) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 1.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
히트 싱크 (230) 는 Al 또는 Al 합금으로 구성되어 있고, 본 실시형태에서는 A6063 (Al 합금) 으로 구성되어 있다. 이 히트 싱크 (230) 에는, 냉각용 유체가 흐르기 위한 유로 (231) 가 형성되어 있다. 또한, 이 히트 싱크 (230) 와 금속층 (213) 이 Al-Si 계 납재에 의해 접합되어 있다.
다음으로, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈 (201) 의 제조 방법에 대해, 도 13 의 플로우도 및 도 14 를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 14 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 (도 14 에 있어서 상면) 에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 재 (25), 및 회로층 (212) 이 되는 Cu 판 (222) 을 순서대로 적층시킨다 (제 1 적층 공정 S21). 그것과 함께, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면 (도 14 에 있어서 하면) 에 접합재 (227) 를 개재하여 금속층 (213) 이 되는 Al 판 (223) 을 순서대로 적층시킨다 (제 2 적층 공정 S22). 그리고, 추가로 Al 판 (223) 의 하측에 접합재 (242) 를 개재하여 히트 싱크 (230) 를 적층시킨다 (제 3 적층 공정 S23).
또한, Ti 재 (25) 의 두께는 0.1 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다. 여기서, Ti 재 (25) 는, 두께가 0.1 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 미만인 경우에는 증착이나 스퍼터에 의해 성막하는 것이 바람직하고, 두께가 0.5 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하인 경우에는 박재를 사용하는 것이 바람직하다. 또, Ti 재 (25) 의 바람직한 두께는 0.5 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 범위 내이며, 나아가서는 1.0 ㎛ 이상 4.0 ㎛ 이하의 범위 내이다.
또, 접합재 (227, 242) 는, 본 실시형태에서는, 융점 강하 원소인 Si 를 함유한 Al-Si 계 납재로 되어 있고, 제 3 실시형태에 있어서는, Al-7.5 mass％ Si 납재를 사용하고 있다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11), Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 재 (25), Cu 판 (222), 접합재 (227), Al 판 (223), 접합재 (242), 및 히트 싱크 (230) 를 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 ㎏f/㎠ (0.10 ∼ 3.43 ㎫)) 한 상태에서, 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다 (가열 처리 공정 S24). 여기서, 제 3 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력을 10-6 ㎩ 이상 10-3 ㎩ 이하의 범위 내로, 가열 온도를 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간을 30 분 이상 360 분 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
이 가열 처리 공정 S24 에 있어서는, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상에 Ti 재 (25) 가 용해되고, 응고됨으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (222) 이 접합된다. 또, 가열 처리 공정 S24 에 있어서는, 접합재 (227) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상이 응고됨으로써, 접합재 (227) 를 개재하여 세라믹스 기판 (11) 과 Al 판 (223) 이 접합된다. 또한, 가열 처리 공정 S24 에 있어서는, 접합재 (242) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상이 응고됨으로써, 접합재 (242) 를 개재하여 Al 판 (223) 과 히트 싱크 (230) 가 접합된다.
이로써, 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 이 제조된다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (210) 의 회로층 (212) 의 상면에 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 접합시킨다 (반도체 소자 접합 공정 S25).
이와 같이 하여, 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈 (201) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (210) 에 있어서는, 제 1 실시형태에서 설명한 파워 모듈용 기판 (10) 과 동일한 효과를 발휘한다.
또, 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (210) 에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면에 Al 판 (223) 이 접합되어 이루어지는 금속층 (213) 이 형성되어 있으므로, 반도체 소자 (3) 로부터의 열을 금속층 (213) 을 통하여 효율적으로 방산시킬 수 있다. 또, Al 은 비교적 변형 저항이 낮으므로, 냉열 사이클이 부하되었을 때에 파워 모듈용 기판 (210) 과 히트 싱크 (230) 사이에 발생하는 열응력을 금속층 (213) 에 의해 흡수할 수 있다. 그 결과, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또, 제 3 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (210) 의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 회로층 (212) 을, 제 2 면에 금속층 (213) 이 동시에 접합되므로, 제조 공정을 간략화하고, 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
(제 4 실시형태)
다음으로, 본 발명의 제 4 실시형태에 대해 설명한다. 또한, 제 1 실시형태와 동일한 구성에 대해서는, 동일한 부호를 부여하여 기재하고, 상세한 설명을 생략한다.
도 15 에 제 4 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (310) 을 구비한 파워 모듈 (301) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (301) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 상에 회로층 (312) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (310) 과, 회로층 (312) 의 일방의 면 (도 15 에 있어서 상면) 에 접합층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (310) 은, 도 15 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면인 제 1 면 (도 15 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (312) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면인 제 2 면 (도 15 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (313) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 방열성이 우수한 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다.
회로층 (312) 은, 제 1 실시형태와 동일하게, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 재 (325), 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (322) 을 순서대로 적층시키고, 이것들을 가열 처리하여 Cu 판 (322) 을 접합시킴으로써 형성되어 있다 (도 18 참조).
또한, 회로층 (312) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
그리고, 본 실시형태에서는, 회로층 (312) 에는 에칭에 의해 회로 패턴이 형성되어 있다.
세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (312) 의 접합 계면에는, 도 16 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 측에 위치하는 Cu-Sn 층 (14) 과, 회로층 (312) 과 Cu-Sn 층 (14) 사이에 위치하고, P, Ni, 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층 (317) 이 형성되어 있다.
여기서, 본 실시형태에서는, 도 16 에 나타내는 바와 같이, 금속간 화합물층 (317) 으로서, P-Ni-Ti 상 (317a) 이 형성되어 있다. 이 P-Ni-Ti 상 (317a) 은 도 (島) 상으로 분포되어 있다.
금속층 (313) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면인 제 2 면에 Al 또는 Al 합금의 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 제 4 실시형태에 있어서, 금속층 (313) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면에 순도 99.99 질량％ 이상의 Al 판 (323) 을 접합시킴으로써 형성되어 있다 (도 18 참조).
이 금속층 (313) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 1.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
다음으로, 본 실시형태에 관련된 파워 모듈 (301) 의 제조 방법에 대해, 도 17 의 플로우도 및 도 18 을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 18 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 (도 18 에 있어서 상면) 에 Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 재 (325), 및 회로층 (312) 이 되는 Cu 판 (322) 을 순서대로 적층시킨다 (제 1 적층 공정 S31). 그것과 함께, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면 (도 18 에 있어서 하면) 에 접합재 (327) 를 개재하여 금속층 (313) 이 되는 Al 판 (323) 을 순서대로 적층시킨다 (제 2 적층 공정 S32).
여기서, 본 실시형태에서는, Ti 재 (325) 의 두께는 0.1 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 미만의 범위 내로 되어 있고, 바람직하게는 0.1 ㎛ 이상 0.3 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다. 이와 같은 두께가 얇은 Ti 재 (325) 는, Cu 판 (322) 의 접합면에 증착이나 스퍼터에 의해 성막하는 것이 바람직하다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11), Cu-P-Sn-Ni 납재 (24), Ti 재 (325), Cu 판 (322), 접합재 (327), Al 판 (323) 을 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 ㎏f/㎠ (0.10 ∼ 3.43 ㎫)) 한 상태에서, 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다 (가열 처리 공정 S33). 여기서, 제 4 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력을 10-6 ㎩ 이상 10-3 ㎩ 이하의 범위 내로, 가열 온도를 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간을 30 분 이상 360 분 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
이 가열 처리 공정 S33 에 있어서는, Cu-P-Sn-Ni 납재 (24) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상에 Ti 재 (325) 가 용해되고, 응고됨으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (322) 이 접합된다. 또, 접합재 (327) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상이 응고됨으로써, 접합재 (327) 를 개재하여 세라믹스 기판 (11) 과 Al 판 (323) 이 접합된다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (310) 의 회로층 (312) 을 에칭 처리하여 회로 패턴을 형성한다 (에칭 처리 공정 S34).
이 에칭 처리 공정 S34 에 있어서는, 염화철 (Ⅲ) 수용액으로 10 분 정도 처리함으로써 에칭을 실시한다.
이로써, 제 4 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (310) 이 제조된다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (310) 의 회로층 (312) 의 상면에 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 접합시킨다 (반도체 소자 접합 공정 S35).
이와 같이 하여, 제 4 실시형태에 관련된 파워 모듈 (301) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 제 4 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (310) 에 있어서는, 제 1 실시형태에서 설명한 파워 모듈용 기판 (10) 과 동일한 효과를 발휘한다.
또, 제 4 실시형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (310) 에 있어서는, 도 16 에 나타내는 바와 같이, P, Ni, 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층 (317) 으로서 도상으로 분포된 P-Ni-Ti 상 (317a) 이 형성되어 있으므로, 에칭 처리 공정 S34 에 있어서 잔류물이 잘 발생하지 않는다. 따라서, 회로층 (312) 에 에칭에 의해 회로 패턴을 양호한 정밀도로 형성할 수 있다.
이와 같이, 에칭성을 고려한 경우에는, Ti 재 (325) 를 0.1 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 미만, 바람직하게는 0.1 ㎛ 이상 0.3 ㎛ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지는 않으며, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
또한, 제 2 실시형태 및 제 3 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판의 제 1 면에 회로층을, 제 2 면에 금속층을 동시에 접합시키는 경우에 대해 설명하였지만, 회로층과 금속층을 따로 접합시켜도 된다.
또, 제 3 실시형태에 있어서, 회로층, 금속층, 및 히트 싱크를 동시에 접합시키는 경우에 대해 설명하였지만, 회로층과 금속층을 세라믹스 기판에 접합시킨 후에 금속층과 히트 싱크를 접합시키는 구성으로 해도 된다.
또, 제 3, 제 4 실시형태에 있어서, 세라믹스 기판의 제 2 면에 Al-Si 계 납재를 개재하여 금속층을 접합시키는 경우에 대해 설명하였지만, 과도 액상 접합법 (TLP) 이나 Ag 페이스트 등에 의해 접합시켜도 된다.
또, 제 2 실시형태 및 제 3 실시형태에서는, 유로가 형성된 히트 싱크를 사용하는 경우에 대해 설명하였지만, 방열판으로 불리는 판상의 것이나, 핀상 핀을 갖는 히트 싱크를 사용해도 된다. 또, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크를 땜납재 또는 납재로 접합시키는 경우에 대해 설명하였지만, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크 사이에 그리스를 도포하고 나사 고정 등에 의해 이것들을 고정시켜도 된다. 또, 제 2 실시형태 및 제 3 실시형태의 파워 모듈용 기판에 있어서, 파워 모듈용 기판의 타방의 면측 (세라믹스 기판의 제 2 면측) 에 히트 싱크가 접합되어 있지 않아도 된다.
또한, 제 1 실시형태, 제 2 실시형태 및 제 3 실시형태에서는, Ti 재로서 Ti 박을 사용하는 경우 또는 증착이나 스퍼터로 Ti 재를 형성하는 경우에 대해 설명하였지만, Cu 부재의 일방의 면에 Ti 를 배치 형성한 Cu 부재/Ti 클래드재를 사용할 수도 있다.
또한, Ti 재의 일방의 면에 Cu-P-Sn 계 납재를 배치 형성한 Ti 재/납재 클래드재나, Cu 부재, Ti 재, Cu-P-Sn 계 납재의 순서로 적층된 Cu 부재/Ti 재/납재 클래드를 사용할 수 있다.
또, 제 1 실시형태, 제 2 실시형태 및 제 3 실시형태에서는 Ti 재로서 Ti 박을 Cu-P-Sn 계 납재와 Cu 판 사이에 개재시켰지만, 이것에 한정되지 않고, 세라믹스 기판과 Cu-P-Sn 계 납재 사이에 개재시킬 수도 있다.
또한, 제 4 실시형태에서는 Cu 판의 접합면에 Ti 재를 형성하였지만, 이것에 한정되지 않고, 세라믹스 기판의 접합면에 형성할 수도 있다.
또, 상기 실시형태에서는 Cu-P-Sn 계의 납재로서 박재를 사용하였지만, 이것에 한정되지 않고 Cu-P-Sn 계의 납재 분말을 사용하거나, Cu-P-Sn 계의 납재 분말의 페이스트를 사용할 수도 있다.
실시예
(실시예 1)
이하에 본 발명에 관련된 실시형태의 효과를 확인하기 위해 실시한 확인 실험 (실시예 1) 의 결과에 대해 설명한다.
표 1 에 기재된 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜) 의 제 1 면에 표 1 에 나타내는 두께를 갖는 Cu-P-Sn 계 납재 박 (37 ㎜ × 37 ㎜), 표 1 에 나타내는 두께를 갖는 Ti 재 (37 ㎜ × 37 ㎜), 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.3 ㎜) 을 순서대로 적층시킨다. 또한, 세라믹스 기판의 재질이 AlN 인 경우에는 두께 0.635 ㎜ 로 하고, 재질이 Si3N4 인 경우에는 0.32 ㎜ 로 하였다.
그리고, 적층된 세라믹스 기판, Cu-P-Sn 계 납재 박, Ti 재, Cu 판을 적층 방향으로 압력 15 ㎏f/㎠ (1.47 ㎫) 로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하고, 가열함으로써 세라믹스 기판의 제 1 면에 Cu 판을 접합시켜, 회로층을 형성하였다. 여기서, 진공 가열로 내의 압력을 10-6 ㎩ 이상, 10-3 ㎩ 이하의 범위 내로 설정하고, 가열 온도 및 가열 시간을 표 1 의 조건으로 설정하였다. 이와 같이 하여 본 발명예 1-1 ∼ 1-13 의 파워 모듈용 기판을 얻었다. 또한, 본 발명예 1-1 ∼ 1-10 및 1-12 ∼ 1-13 은 Ti 재로서 Ti 박을 사용하였다. 본 발명예 1-11 에서는, Ti 재로서 Cu 판의 접합면에 Ti 막을 스퍼터에 의해 성막하였다.
또, 비교예 1 의 파워 모듈용 기판을, 다음과 같이 하여 얻었다. AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜ × 두께 0.635 ㎜) 의 제 1 면에 표 1 에 나타내는 두께를 갖는 Cu-P-Sn 계 납재 (37 ㎜ × 37 ㎜), 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.3 ㎜) 을 순서대로 적층시켰다. 그리고, 적층된 세라믹스 기판, Cu-P-Sn 계 납재, Cu 판을 적층 방향으로 압력 15 ㎏f/㎠ (1.47 ㎫) 로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하고, 가열함으로써, 세라믹스 기판의 제 1 면에 Cu 판을 접합시켜, 회로층을 형성하였다. 즉, 비교예 1 의 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합시킬 때에 Ti 재를 개재시키지 않고 접합이 실시되었다.
상기 서술한 바와 같이 하여 얻어진 파워 모듈용 기판에 대하여, 회로층과 세라믹스 기판의 초기 접합률을 평가하였다. 접합률의 평가 방법을 이하에 설명한다.
또, 얻어진 파워 모듈용 기판에 대해, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 계면에 있어서, P 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층의 유무를 확인하였다. P 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층의 유무 확인 방법도 이하에 설명한다.
(접합률 평가)
파워 모듈용 기판에 대하여, 세라믹스 기판과 회로층의 계면의 접합률에 대해 초음파 탐상 장치 (히타치 파워 솔루션즈사 제조의 FineSAT200) 를 사용하여 평가하고, 이하의 식으로부터 산출하였다.
여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합시켜야 할 면적이며, 본 실시예에서는 회로층의 면적 (37 ㎜ × 37 ㎜) 으로 하였다. 초음파 탐상 이미지를 2 치화 처리한 화상에 있어서 박리는 접합부 내의 백색부로 나타나는 점에서, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 하였다.
(접합률 (％)) ＝ {(초기 접합 면적) － (박리 면적)}/(초기 접합 면적) × 100
(P 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층의 유무 확인 방법)
P 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층에 대해, EPMA (전자선 마이크로 애널라이저, 니혼 전자사 제조의 JXA-8530F) 에 의한 P 및 Ti 원소의 매핑으로부터, Ti/Cu-P-Sn 계 납재 계면 (적층 방향에 평행한 단면) 에 있어서 P 및 Ti 원소가 공존하고 있는 지점을 금속간 화합물층으로 하고, 그 유무를 확인하였다.
이상의 평가 결과를 표 1 에 나타낸다.
Figure pct00001
표 1 에 나타내는 바와 같이, 본 발명예 1-1 ∼ 1-13 에 대해서는, Cu-P-Sn 계 납재 및 Ti 재를 개재시켜 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합시켰기 때문에, 세라믹스 기판과 회로층의 초기 접합률이 높아, 양호하게 접합되어 있는 것이 확인되었다.
한편, 비교예 1 은, 세라믹스 기판과 Cu 판의 접합시에 Ti 재를 개재시키지 않고 접합이 실시되었기 때문에, 세라믹스 기판과 Cu 판 (회로층) 을 접합시킬 수 없었다.
(실시예 2)
다음으로, 본 발명에 관련된 실시형태의 효과를 확인하기 위해 실시한 확인 실험 (실시예 2) 의 결과에 대해 설명한다.
표 2 에 기재된 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜) 의 제 1 면 및 제 2 면에 표 2 에 나타내는 두께를 갖는 Cu-P-Sn 계 납재 박 (37 ㎜ × 37 ㎜), 표 2 에 나타내는 두께를 갖는 Ti 재 (37 ㎜ × 37 ㎜), 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.3 ㎜) 을 순서대로 적층시켰다. 또한, 세라믹스 기판의 재질이 AlN 인 경우에는 두께 0.635 ㎜ 로 하고, 재질이 Si3N4 인 경우에는 0.32 ㎜ 로 하였다.
적층된 세라믹스 기판, Cu-P-Sn 계 납재 박, Ti 재, Cu 판을 적층 방향으로 압력 15 ㎏f/㎠ (1.47 ㎫) 로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하고, 가열함으로써 세라믹스 기판의 제 1 면 및 제 2 면에 Cu 판을 접합시켜, 회로층 및 금속층을 형성하였다. 여기서, 진공 가열로 내의 압력을 10-6 ㎩ 이상, 10-3 ㎩ 이하의 범위 내로 설정하고, 가열 온도 및 가열 시간을 표 2 에 나타내는 조건으로 하였다. 이와 같이 하여 본 발명예 2-1 ∼ 2-13 의 파워 모듈용 기판을 얻었다. 또한, 본 발명예 2-1 ∼ 2-10 및 2-12 ∼ 2-13 은 Ti 재로서 Ti 박을 사용하였다. 본 발명예 2-11 에서는, Ti 재로서 Cu 판의 접합면에 Ti 막을 스퍼터에 의해 성막하였다.
비교예 2 의 파워 모듈용 기판을, Ti 재를 개재시키지 않고 세라믹스 기판과 회로층을 접합시킨 것을 제외하고, 본 발명예 2-1 ∼ 2-13 의 파워 모듈용 기판과 동일한 방법으로 얻었다.
상기 서술한 바와 같이 하여 얻어진 파워 모듈용 기판에 대하여, 회로층과 세라믹스 기판의 초기 접합률, 및 냉열 사이클 시험 후의 접합률을 측정하였다. 또한, 냉열 사이클 시험에 있어서, 파워 모듈용 기판의 세라믹스 기판에 균열이 발생할 때까지의 횟수를 측정하였다.
또, 얻어진 파워 모듈용 기판에 대하여, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 계면에 있어서, P 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층의 유무를 확인하였다.
또한, 접합률의 평가, P 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층의 유무 확인은, 실시예 1 과 동일하게 하여 실시하였다. 냉열 사이클 시험은 하기에 나타내는 바와 같이 실시하였다.
(냉열 사이클 시험)
냉열 사이클 시험은, 냉열 충격 시험기 에스펙사 제조의 TSB-51 을 사용하여, 파워 모듈용 기판에 대하여, 액상 (플러리너트) 에서, -40 ℃ 에서 3 분 및 150 ℃ 에서 7 분의 사이클을 1 사이클로 하여, 2000 사이클을 실시하였다. 또한, 냉열 사이클 시험을 2000 사이클 실시한 후에도 세라믹스 기판에 균열이 발생하지 않은 파워 모듈용 기판에 대해서는, 표 2 에 있어서「＞ 2000」으로 기재하였다.
이상의 평가 결과를 표 2 에 나타낸다.
Figure pct00002
표 2 에 나타내는 바와 같이, 본 발명예 2-1 ∼ 2-13 에 대해서는, Cu-P-Sn 계 납재 및 Ti 재를 개재시켜 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합시켰기 때문에, 세라믹스 기판과 회로층의 초기 접합률이 높아, 양호하게 접합되어 있는 것이 확인되었다. 또, 본 발명예 2-1 ∼ 2-13 은, 냉열 사이클 시험 후의 접합률도 높아, 접합 신뢰성이 높은 것이 확인되었다. 또한, 본 발명예 2-1 ∼ 2-13 은, 냉열 사이클 시험에 있어서, 세라믹스 기판에 균열이 발생할 때까지의 사이클 횟수가 많아, 세라믹스 기판에 균열이 잘 발생하지 않는 것도 확인되었다.
한편, 비교예 2 는, 세라믹스 기판과 Cu 판의 접합시에 Ti 재를 개재시키지 않고 접합이 실시되었기 때문에, 세라믹스 기판과 Cu 판 (회로층) 을 접합시킬 수 없었다.
(실시예 3)
다음으로, 본 발명에 관련된 실시형태의 효과를 확인하기 위해 실시한 확인 실험 (실시예 3) 의 결과에 대해 설명한다.
표 3 에 기재된 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜) 의 제 1 면에 표 3 에 나타내는 두께를 갖는 Cu-P-Sn 계 납재 박 (37 ㎜ × 37 ㎜), 표 3 에 나타내는 두께를 갖는 Ti 재 (37 ㎜ × 37 ㎜), 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.3 ㎜) 을 순서대로 적층시켰다. 또한, 세라믹스 기판의 재질이 AlN 인 경우에는 두께 0.635 ㎜ 로 하고, 재질이 Si3N4 인 경우에는 0.32 ㎜ 로 하였다. 또, 세라믹스 기판의 제 2 면에 Al-Si 계 납재를 개재하여 순도 99.99 ％ 의 Al 로 이루어지는 Al 판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 1.6 ㎜) 을 적층시켰다.
그리고, 적층된 세라믹스 기판, Cu-P-Sn 계 납재 박, Ti 재, Cu 판, Al-Si 계 납재, 및 Al 판을 적층 방향으로 압력 15 ㎏f/㎠ (1.47 ㎫) 로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하고, 가열함으로써, 세라믹스 기판의 제 1 면에 Cu 판을 접합시켜 회로층을 형성하고, 제 2 면에 Al 판을 접합시켜 금속층을 형성하였다. 여기서, 진공 가열로 내의 압력을 10-6 ㎩ 이상, 10-3 ㎩ 이하의 범위 내로 설정하고, 가열 온도 및 가열 시간을 표 3 에 나타내는 조건으로 하였다. 이와 같이 하여 본 발명예 3-1 ∼ 3-13 의 파워 모듈용 기판을 얻었다. 또한, 본 발명예 3-1 ∼ 3-10 및 3-12 ∼ 3-13 은 Ti 재로서 Ti 박을 사용하였다. 본 발명예 3-11 에서는, Ti 재로서 Cu 판의 접합면에 Ti 막을 스퍼터에 의해 성막하였다.
비교예 3 의 파워 모듈용 기판을, Ti 재를 개재시키지 않고 세라믹스 기판과 회로층을 접합시킨 것을 제외하고, 본 발명예 3-1 ∼ 3-11 의 파워 모듈용 기판과 동일하게 하여 얻었다.
상기 서술한 바와 같이 하여 얻어진 파워 모듈용 기판에 대하여, 회로층과 세라믹스 기판의 초기 접합률, 냉열 사이클 시험 후의 접합률, 또한 냉열 사이클 시험에 있어서, 파워 모듈용 기판의 세라믹스 기판에 균열이 발생할 때까지의 횟수를 측정하였다.
또, 얻어진 파워 모듈용 기판에 대하여, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 계면에 있어서, P 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층의 유무를 확인하였다.
또한, 접합률의 평가, 냉열 사이클 시험, P 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층의 유무 확인은, 실시예 2 와 동일하게 하여 실시하였다.
이상의 평가 결과를 표 3 에 나타낸다.
Figure pct00003
표 3 에 나타내는 바와 같이, 본 발명예 3-1 ∼ 3-13 에 대해서는, Cu-P-Sn 계 납재 및 Ti 재를 개재시켜 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합시켰기 때문에, 세라믹스 기판과 회로층의 초기 접합률이 높아, 양호하게 접합되어 있는 것이 확인되었다. 또, 본 발명예 3-1 ∼ 3-13 은, 냉열 사이클 시험 후의 접합률도 높아, 접합 신뢰성이 높은 것이 확인되었다. 또한, 본 발명예 3-1 ∼ 3-13 은, 냉열 사이클 시험에 있어서, 세라믹스 기판에 균열이 발생할 때까지의 사이클 횟수가 많아, 세라믹스 기판에 균열이 잘 발생하지 않는 것도 확인되었다.
한편, 비교예 3 은, 세라믹스 기판과 Cu 판의 접합시에 Ti 재를 개재시키지 않고 접합이 실시되었기 때문에, 세라믹스 기판과 Cu 판 (회로층) 을 접합시킬 수 없었다.
(실시예 4)
다음으로, 본 발명에 관련된 실시형태의 효과를 확인하기 위해 실시한 확인 실험 (실시예 4) 의 결과에 대해 설명한다.
표 4 에 기재된 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜) 의 제 1 면에 표 4 에 나타내는 두께를 갖는 Cu-P-Sn 계 납재 (37 ㎜ × 37 ㎜), 표 4 에 나타내는 두께를 갖는 Ti 재 (37 ㎜ × 37 ㎜), 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.3 ㎜) 을 순서대로 적층시켰다. 세라믹스 기판의 재질이 AlN 인 경우에는 두께 0.635 ㎜ 로 하고, 재질이 Si3N4 인 경우에는 0.32 ㎜ 로 하였다. 또한, Ti 재로서 Cu 판의 접합면에 Ti 막을 스퍼터에 의해 성막하였다.
그리고, 적층된 세라믹스 기판, Cu-P-Sn 계 납재, Ti 재, 및 Cu 판을 적층 방향으로 압력 15 ㎏f/㎠ (1.47 ㎫) 로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하고, 가열함으로써 세라믹스 기판의 제 1 면에 Cu 판을 접합시켜, 회로층을 형성하였다. 여기서, 진공 가열로 내의 압력을 10-6 ㎩ 이상, 10-3 ㎩ 이하의 범위 내로 설정하고, 가열 온도 및 가열 시간을 표 4 의 조건으로 설정하였다. 이와 같이 하여 본 발명예 4-1 ∼ 4-8 의 파워 모듈용 기판을 얻었다.
(에칭 시험)
에칭 시험은, 먼저, 얻어진 파워 모듈용 기판에 대하여, 에칭액으로서 염화철 (Ⅲ) 수용액을 사용하고, 에칭 시간 10 분으로 하여, 소정의 회로 패턴이 형성되도록 회로층에 에칭을 실시하였다.
그리고, 소정의 회로 패턴이 형성된 회로층에 있어서, 회로 패턴 간 표면을 EPMA 로 정량 분석하여, 납재 성분 (예를 들어, 본 발명예 4-1 에서는 Cu, P, Sn, Ni) 과 Ti 의 양의 합계량을 측정하였다. 측정은 10 개 지점 실시하여, 그 평균값을 합계량으로 하였다. 합계량이 0.2 at％ 미만이면「A」로, 0.2 at％ 이상 0.4 at％ 미만이면「B」로, 0.4 at％ 이상이면「C」로 평가하였다.
이상의 평가 결과를 표 4 에 나타낸다.
Figure pct00004
표 4 에 나타내는 바와 같이, 본 발명예 4-1 ∼ 4-8 에 대해서는, Ti 재의 두께가 0.5 ㎛ 미만으로 되어 있는 점에서, 에칭성이 양호한 것이 확인되었다.
산업상 이용가능성
본 발명에 관련된 접합체 및 파워 모듈용 기판에 의하면, 세라믹스 부재와 Cu 부재가 양호하게 접합되고, 또한 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 부재에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 그 때문에, 본 발명에 관련된 접합체 및 파워 모듈용 기판은, 풍력 발전, 전기 자동차 등의 전기 차량 등을 제어하기 위해 사용되는 대전력 제어용 파워 반도체 소자와 같은, 사용 환경이 엄격한 파워 모듈에도 바람직하다.
10, 110, 210, 310 : 파워 모듈용 기판 (접합체)
11 : 세라믹스 기판 (세라믹스 부재)
12, 112, 212, 312 : 회로층 (Cu 부재)
14, 114 : Cu-Sn 층
17, 117, 317 : 금속간 화합물층
22, 122, 123, 222, 322 : Cu 판 (Cu 부재)

Claims (6)

  1. 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재가 Cu-P-Sn 계 납재 및 Ti 재를 개재하여 접합된 접합체로서,
    상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재의 접합 계면에는,
    상기 세라믹스 부재측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과,
    상기 Cu 부재와 상기 Cu-Sn 층 사이에 위치하고, P 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층이 형성되어 있는, 접합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속간 화합물층이, 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu-Sn 층의 계면으로부터 0.1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하의 범위 내에 형성되어 있는, 접합체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 접합체로 이루어지고,
    상기 세라믹스 부재로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 제 1 면에 Cu-P-Sn 계 납재 및 Ti 재를 개재하여 상기 Cu 부재로 이루어지는 Cu 판이 접합되어 이루어지는 회로층을 구비하고,
    상기 세라믹스 기판과 상기 회로층의 접합 계면에는,
    상기 세라믹스 기판측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과,
    상기 회로층과 상기 Cu-Sn 층 사이에 위치하고, P 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층이 형성되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판의 제 2 면에 금속층이 형성되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 금속층은,
    상기 세라믹스 기판의 제 2 면에 Cu-P-Sn 계 납재 및 Ti 재를 개재하여 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 판이 접합되어 이루어지고,
    상기 세라믹스 기판과 상기 금속층의 접합 계면에는,
    상기 세라믹스 기판측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과,
    상기 금속층과 상기 Cu-Sn 층 사이에 위치하고, P 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층이 형성되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 금속층은, Al 또는 Al 합금으로 이루어지는, 파워 모듈용 기판.
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