KR20170073618A - 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속층을 알루미늄제 냉각기에 브레이징할 때의 변형의 발생을 방지하여, 열 저항이 작고, 접합 신뢰성이 높은 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판을 제공한다. 세라믹스 기판의 일방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 회로층을 접합함과 함께, 세라믹스 기판의 타방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속층을 접합하고, 이 금속층에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 2 금속층을 고상 확산 접합하고, 제 2 금속층에 알루미늄 합금으로 이루어지는 냉각기를 Mg 함유 Al 계 브레이징재를 사용하여 브레이징 접합한다.
Description
본 발명은, 대전류, 고전압을 제어하는 반도체 장치에 사용되는 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본원은, 2014년 10월 16일에 출원된 일본 특허출원 2014-211529호, 및 2015년 10월 9일에 출원된 일본 특허출원 2015-200784호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
종래의 파워 모듈용 기판으로서, 절연층이 되는 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층이 접합됨과 함께, 타방의 면에 방열을 위한 금속층이 접합된 구성의 것이 알려져 있다. 또, 이 파워 모듈용 기판의 금속층에 냉각기가 접합됨으로써, 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판이 구성된다. 그리고, 회로층 상에는 솔더링재를 개재하여 파워 소자 등의 반도체 소자가 탑재되어 파워 모듈이 된다.
이 종류의 파워 모듈용 기판에 있어서, 회로층에 열적 특성, 전기적 특성이 우수한 구리 또는 구리 합금을 사용하고, 냉각기에는 알루미늄 합금으로 이루어지는 구조의 것을 사용한 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판이 보급되어 있다.
그러한 파워 모듈용 기판으로서, 특허문헌 1 에, 세라믹스 기판으로서 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄 등을 사용하여, 이 세라믹스 기판에, 금속층을 직접 접합법이나 활성 금속법에 의해 접합하는 것이 개시되어 있고, 그 금속층으로서 구리를 사용하는 것이 바람직하다고 기재되어 있다. 또, 그 파워 모듈용 기판에, 히트싱크를 솔더에 의해 접합하는 것도 기재되어 있다.
그런데, 금속층과 히트싱크를 접합하고 있는 솔더층은 열 저항이 커서, 반도체 소자로부터 히트싱크로의 열 전달을 방해하고, 또, 열 신축에 의해 솔더층에 크랙이 생겨 솔더층이 파괴될 우려가 있다. 이 때문에, 열 저항이 작고, 접합 신뢰성도 높은 브레이징 접합이 주목받고 있다.
그러나, 브레이징 공정은, 브레이징재 (brazing filler material) 를 개재하여 적층한 금속판끼리를 적층 방향으로 가압하여 가열함으로써 실시되는 것이기 때문에, 히트싱크로서, 내부에 냉각 유로를 형성한 알루미늄제 냉각기를 브레이징에 의해 파워 모듈용 기판에 접합하는 경우, 그 가압력에 의해 알루미늄제 냉각기가 변형될 우려가 있다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속층을 알루미늄제 냉각기에 브레이징할 때의 변형의 발생을 방지하여, 열 저항이 작고, 접합 신뢰성이 높은 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 세라믹스 기판의 일방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속판을 접합하여 회로층을 형성함과 함께, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속판을 접합하여 제 1 금속층을 형성하는 제 1 접합 공정과, 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 혹은 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 금속판과 상기 제 1 금속층을 고상 확산 접합에 의해 접합하여 제 2 금속층을 형성하는 제 2 접합 공정과, 상기 제 2 금속층에 알루미늄 합금으로 이루어지는 냉각기를 Mg 함유 Al 계 브레이징재를 사용하여 브레이징 접합하는 제 3 접합 공정을 갖는다.
본 발명의 제조 방법은, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 1 금속층에 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 혹은 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 제 2 금속층을 고상 확산 접합에 의해 접합함으로써, 알루미늄 합금으로 이루어지는 냉각기를 Mg 함유 Al 계 브레이징재를 사용하여 브레이징 접합하는 것이 가능하다. 이 브레이징은, 질소 또는 아르곤 등의 분위기 중에서 저하중 (예를 들어 0.001 ㎫ ∼ 0.5 ㎫) 으로 실시할 수 있어, 강성이 낮은 알루미늄제 냉각기에서도 변형시키지 않고 확실하게 접합할 수 있다.
또한, 상기 제 2 접합 공정에 있어서, 상기 제 1 금속층과 상기 제 2 금속층 사이에 티탄박을 개재시켜, 상기 제 1 금속층과 상기 티탄박 및 상기 제 2 금속층과 상기 티탄박을 각각 고상 확산 접합하고, 상기 제 3 접합 공정에 있어서, 상기 제 2 금속층과 상기 냉각기를 Al-Si-Mg 계 브레이징재를 사용하여 브레이징 접합하면 된다.
티탄박을 개재하여 제 1 금속층과 제 2 금속층을 고상 확산 접합에 의해 접합함으로써, 양 금속층에 티탄 원자를 확산시킴과 함께, 티탄박에 알루미늄 원자 및 구리 원자를 확산시켜, 이들 제 1 금속층, 티탄박, 제 2 금속층을 확실하게 접합할 수 있다.
이 경우, 제 2 금속층을 접합한 후, 냉각기를 브레이징할 때에 가열되지만, 티탄박이 개재되어 있으므로, 이 브레이징시에 알루미늄과 구리에 확산이 발생하는 것이 방지된다.
이 제조 방법에 있어서, 상기 티탄박은 상기 제 1 금속층보다 면적이 큰 것이 바람직하다. 이 경우, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 1 금속층의 구리와, 냉각기를 접합하는 Mg 함유 Al 계 브레이징재의 알루미늄의 접촉을, 보다 확실하게 방지할 수 있다.
이 제조 방법에 있어서, 상기 제 2 금속층을 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 상기 금속판을 사용하여 형성하는 경우, 냉각기를 접합하는 브레이징재에 알루미늄 산화막에 대한 젖음성이 낮은 Mg 가 함유되어 있으므로, 용융된 Mg 함유 Al 계 브레이징재가, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 2 금속층의 측면의 산화막에 튕겨져, 제 1 금속층까지 도달하지 않는다. 이로 인해, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 1 금속층과 접촉하지 않아, 제 1 금속층을 변형시키는 경우가 없다.
혹은 이 제조 방법에 있어서, 상기 제 2 금속층을 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 상기 금속판을 사용하여 형성하는 경우, 상기 제 1 접합 공정 및 상기 제 2 접합 공정을 동시에 실시해도 된다. 이 경우, 제 2 금속층이 니켈 또는 니켈 합금인 것에 의해, 제 1 접합 공정과 제 2 접합 공정을 동시에 실시할 수 있다. 제 1 접합 공정에는, 예를 들어 Ag-Cu-Ti 계 브레이징재를 사용한 브레이징 접합을 채용할 수 있다.
이 경우, 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 상기 제 2 금속층이 상기 제 1 금속층보다 면적이 크면, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 1 금속층의 구리와 냉각기를 접합하는 브레이징재의 알루미늄의 접촉을 보다 확실하게 방지할 수 있으므로 바람직하다.
또한, 이 경우, 상기 제 2 접합 공정에 있어서, 상기 제 2 금속층에 알루미늄판을 적층하여 상기 제 1 금속층과 상기 제 2 금속층 및 상기 제 2 금속층과 상기 알루미늄판을 각각 고상 확산 접합에 의해 접합해도 된다.
본 발명의 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판과, 상기 세라믹스 기판의 일방의 면에 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 회로층과, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 1 금속층과, 상기 제 1 금속층에 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 혹은 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 제 2 금속층과, 상기 제 2 금속층에 접합된 알루미늄 합금으로 이루어지는 냉각기를 구비하고, 상기 제 1 금속층 중에, 그 표면에 접합된 부재 중의 금속 원자가 확산된 상태에서 존재하고 있음과 함께, 상기 제 2 금속층 중에, 그 표면에 접합된 부재 중의 금속 원자가 확산된 상태에서 존재하고 있다.
또, 상기 제 1 금속층과 상기 제 2 금속층 사이에 개재되는 티탄층을 추가로 갖고, 상기 제 1 금속층 중 및 상기 제 2 금속층 중에, 상기 티탄층 중의 티탄이 확산된 상태에서 존재하고 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 티탄층은 상기 제 1 금속층보다 면적이 큰 것이 바람직하다.
이 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판에 있어서, 상기 제 2 금속층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.
혹은, 이 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판에 있어서, 상기 제 2 금속층은 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이 경우, 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 상기 제 2 금속층은 상기 제 1 금속층보다 면적이 큰 것이 바람직하다.
또, 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 상기 제 2 금속층과 상기 냉각기 사이에 개재되는 알루미늄층을 추가로 가져도 된다.
본 발명에 의하면, 파워 모듈용 기판의 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 1 금속층에, 알루미늄 합금으로 이루어지는 냉각기를 질소 또는 아르곤 분위기에서 저하중으로 브레이징할 수 있어, 강성이 낮은 냉각기에서도, 변형시키지 않고 확실하게 접합할 수 있다. 또, Mg 함유 Al 계 브레이징재를 사용하여 브레이징을 실시하고 있지만, 냉각기와의 사이에 제 2 금속층이 개재됨으로써, 용융된 Mg 함유 Al 계 브레이징재가 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 1 금속층과 접촉하는 경우가 없어, 제 1 금속층을 변형시키는 경우가 없다. 게다가, 브레이징이므로, 열 저항이 작아, 접합 신뢰성이 높은 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판을 얻을 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태의 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 종단면도이다.
도 2a 는, 도 1 의 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서의 제 1 접합 공정을 나타낸 종단면도이다.
도 2b 는, 도 1 의 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서의 제 2 접합 공정을 나타낸 종단면도이다.
도 2c 는, 도 1 의 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서의 제 3 접합 공정을 나타낸 종단면도이다.
도 3 은, 도 2a ∼ 2c 의 제조 방법에서 사용되는 가압 장치의 예를 나타내는 정면도이다.
도 4 는, 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 종단면도이다.
도 5 는, 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 종단면도이다.
도 6 은, 본 발명의 제 4 실시형태에 관련된 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 종단면도이다.
도 2a 는, 도 1 의 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서의 제 1 접합 공정을 나타낸 종단면도이다.
도 2b 는, 도 1 의 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서의 제 2 접합 공정을 나타낸 종단면도이다.
도 2c 는, 도 1 의 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서의 제 3 접합 공정을 나타낸 종단면도이다.
도 3 은, 도 2a ∼ 2c 의 제조 방법에서 사용되는 가압 장치의 예를 나타내는 정면도이다.
도 4 는, 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 종단면도이다.
도 5 는, 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 종단면도이다.
도 6 은, 본 발명의 제 4 실시형태에 관련된 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 종단면도이다.
이하, 본 발명에 관련된 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판 및 그 제조 방법의 각 실시형태에 대해 설명한다.
(제 1 실시형태)
도 1 에 나타내는 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판 (10) 은, 세라믹스 기판 (11) 과, 그 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 접합된 회로층 (12) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 접합된 제 1 금속층 (13) 과, 이 제 1 금속층 (13) 의 세라믹스 기판 (11) 과는 반대측의 면에 접합된 제 2 금속층 (14) 과, 이 제 2 금속층 (14) 에 접합된 냉각기 (20) 와, 제 1 금속층 (13) 과 제 2 금속층 (14) 사이에 개재되는 티탄층 (42) 을 가지고 있다. 도 1 중 부호 48 은 후술하는 접합층이다. 그리고, 회로층 (12) 위에 도 1 의 이점쇄선으로 나타내는 바와 같이 반도체 소자 (30) 가 솔더링재에 의해 접합되어, 파워 모듈을 구성한다.
세라믹스 기판 (11) 은, 회로층 (12) 과 제 1 금속층 (13) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 질화알루미늄 (AlN), 질화규소 (Si3N4), 산화알루미늄 (Al2O3) 등을 사용할 수 있지만, 그 중에서 질화규소가 고강도이기 때문에, 바람직하다. 이 세라믹스 기판 (11) 의 두께는 0.2 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하의 범위 내로 설정된다.
회로층 (12) 은, 전기 특성이 우수한 구리 또는 구리 합금으로 구성된다. 또, 제 1 금속층 (13) 도 구리 또는 구리 합금으로 구성된다. 이들 회로층 (12) 및 제 1 금속층 (13) 은, 예를 들어, 순도 99.96 질량％ 이상의 무산소동의 구리판이 세라믹스 기판 (11) 에 예를 들어 활성 금속 브레이징재에 의해 브레이징 접합됨으로써 형성된다. 이 회로층 (12) 및 제 1 금속층 (13) 의 두께는 0.1 ㎜ ∼ 1.0 ㎜ 의 범위 내로 설정된다.
제 1 금속층 (13) 은, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속판 (13') 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다. 이 제 1 금속층 (13) 중에는, 그 표면에 접합된 부재 중의 금속 원자가 확산된 상태에서 존재하고 있다.
제 2 금속층 (14) 은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 혹은 니켈 또는 니켈 합금 (본 실시형태에서는 알루미늄) 으로 이루어지는 금속판 (14') 이 제 1 금속층 (13) 에 고상 확산 접합에 의해 접합됨으로써 형성된다. 금속판 (14') 의 두께는, 재질이 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 경우에는 0.1 ㎜ ∼ 1.0 ㎜ 의 범위 내, 니켈 또는 니켈 합금인 경우에는 50 ㎛ 이상으로 설정된다. 이 제 2 금속층 (14) 중에는, 그 표면에 접합된 부재 중의 금속 원자가 확산된 상태에서 존재하고 있다.
냉각기 (20) 는, 반도체 소자 (30) 의 열을 방산하기 위한 것으로서, 본 실시형태에서는, 물 등의 냉각 매체가 유통하는 편평한 통체 (筒體) (21) 내에, 내부의 유로 (22) 를 구획하는 복수의 칸막이벽 (23) 이 편평한 통체 (21) 의 두께 방향을 따라 형성되어 있다. 이 냉각기 (20) 는 예를 들어 알루미늄 합금 (예를 들어 A3003, A6063 등) 의 압출 성형에 의해 형성된다. 그리고, 파워 모듈용 기판 (10) 의 제 2 금속층 (14) 에, 냉각기 (20) 의 통체 (21) 의 상측에 위치하는 천판 (21a) 이 브레이징 접합에 의해 고정되어 있다.
반도체 소자 (30) 는, 반도체를 구비한 전자 부품으로, 필요시되는 기능에 따라 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), FWD (Free Wheeling Diode) 등의 여러 가지의 반도체 소자가 선택된다.
이 반도체 소자 (30) 는 회로층 (12) 에 솔더링에 의해 접합되고, 그 솔더링재는, 예를 들어 Sn-Sb 계, Sn-Ag 계, Sn-Cu 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 솔더링재 (이른바 납프리 솔더링재) 가 사용된다.
이와 같이 구성되는 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법에 대해 도 2a ∼ 도 2c 를 참조하면서 설명한다.
(제 1 접합 공정)
먼저, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속판 (12') 을 접합하여 회로층 (12) 을 형성함과 함께, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속판 (13') 을 접합하여 제 1 금속층 (13) 을 형성한다. 즉, 도 2a 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 양면에 은 티탄 (Ag-Ti) 계 또는 은 구리 티탄 (Ag-Cu-Ti) 계의 활성 금속 브레이징재, 예를 들어 Ag-27.4 질량％ Cu-2.0 질량％ Ti 의 브레이징재의 페이스트를 도포하여 브레이징재 도포층 (40) 을 형성하고, 이들 브레이징재 도포층 (40) 위에 회로층 (12) 및 제 1 금속층 (13) 이 되는 구리판 (금속판) (12', 13') 을 각각 적층한다.
그리고, 그 적층체 (S) 를 도 3 에 나타내는 가압 장치 (110) 에 의해 적층 방향으로 가압한 상태로 한다.
이 가압 장치 (110) 는, 베이스판 (111) 과, 베이스판 (111) 의 상면의 네 귀퉁이에 수직으로 장착된 가이드 포스트 (112) 와, 이들 가이드 포스트 (112) 의 상단부에 고정된 고정판 (113) 과, 이들 베이스판 (111) 과 고정판 (113) 사이에서 자유롭게 상하 이동할 수 있도록 가이드 포스트 (112) 에 지지된 가압판 (114) 과, 고정판 (113) 과 가압판 (114) 사이에 형성되어 가압판 (114) 을 하방으로 탄성 지지하는 스프링 등의 탄성 지지 수단 (115) 을 구비하고 있다.
고정판 (113) 및 가압판 (114) 은, 베이스판 (111) 에 대해 평행하게 배치되어 있고, 베이스판 (111) 과 가압판 (114) 사이에 전술한 적층체 (S) 가 배치된다. 적층체 (S) 의 양면에는 가압을 균일하게 하기 위해서 쿠션 시트 (116) 가 배치 형성된다. 쿠션 시트 (116) 는, 카본 시트와 그라파이트 시트의 적층판으로 형성되어 있다.
이 가압 장치 (110) 에 의해 적층체 (S) 를 가압한 상태에서, 가압 장치 (110) 마다 도시 생략된 가열로 내에 설치하고, 진공 분위기 하에서 접합 온도로 가열하여 세라믹스판 (11) 에 구리판 (12') (회로층 (12)) 과 구리판 (13') (제 1 금속층 (13)) 을 브레이징 접합한다. 이 경우의 접합 조건으로는, 예를 들어 0.05 ㎫ 이상 1.0 ㎫ 이하의 가압력으로, 800 ℃ 이상 930 ℃ 이하의 접합 온도에서, 1 분 ∼ 60 분의 가열로 한다.
이 브레이징은, 활성 금속 브레이징법이며, 브레이징재 중의 활성 금속인 Ti 가 세라믹스 기판 (11) 에 우선적으로 확산되어 질화티탄 (TiN) 을 형성하고, 은 구리 (Ag-Cu) 합금을 개재하여 구리판 (12', 13') 과 세라믹스 기판 (11) 을 접합한다. 이로 인해, 세라믹스 기판 (11) 의 양면에 회로층 (12) 및 제 1 금속층 (13) 을 형성한다.
(제 2 접합 공정)
다음으로, 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 혹은 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 금속판 (14') 과 제 1 금속층 (13) 을 고상 확산 접합에 의해 접합하여 제 2 금속층 (14) 을 형성한다. 즉, 제 1 금속층 (13) 의 세라믹스 기판 (11) 과는 반대측의 면에 제 2 금속층 (14) 을 형성한다.
이 경우, 제 2 금속층 (14) 이 되는 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 혹은 니켈 또는 니켈 합금 (본 실시형태에서는 알루미늄) 의 금속판 (14') 을 제 1 금속층 (13) 에 적층하고, 이들 적층체를 전술한 것과 동일한 가압 장치 (110) 에 의해 적층 방향으로 가압하고, 진공 분위기 하에서 소정의 접합 온도로 가열하고, 제 1 금속층 (13) 에 고상 확산 접합에 의해 접합된 제 2 금속층 (14) 을 형성한다.
도 2b 는, 제 2 금속층 (14) 으로서 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 혹은 니켈 또는 니켈 합금 (본 실시형태에서는 알루미늄) 으로 이루어지는 금속판 (14') 을 사용하는 경우를 나타내고 있고, 그 금속판 (14') 과 제 1 금속층 (13) 사이에 티탄박 (41) 을 개재시켜 고상 확산 접합한다. 이 티탄박 (41) 은 3 ㎛ 이상 40 ㎛ 이하의 두께로 설정된다. 그리고, 0.1 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하로 가압하고, 진공 분위기 하에서 접합 온도 580 ℃ 이상 640 ℃ 이하로 1 분 이상 120 분 이하 가열한다. 이로 인해, 티탄박 (41) 과 제 1 금속층 (13) 사이, 및 티탄박 (41) 과 제 2 금속층 (14) 사이에서 각각 확산 접합된다. 그리고, 제 1 금속층 (13) 과 제 2 금속층 (14) 사이에는 티탄층 (42) 이 형성된다. 또한, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속판 (14') 에는, 예를 들어, 순도 99 ％ 이상, 순도 99.9 ％ 이상, 순도 99.99 ％ 이상의 순알루미늄이나, A3003, A6063 등의 알루미늄 합금을 사용할 수 있다.
이 공정에 있어서 제 1 금속층 (13) 과 금속판 (14') (제 2 금속층 (14)) 이 티탄박 (41) 을 개재하여 고상 확산 접합에 의해 접합된 결과, 제 1 금속층 (13) 중에는 그 표면에 접합된 티탄층 (42) 중의 Ti 가 확산된 상태에서 존재함과 함께, 제 2 금속층 (14) 중에도 그 표면에 접합된 티탄층 (42) 중의 Ti 가 확산된 상태에서 존재한다.
(제 3 접합 공정)
다음으로, 제 2 금속층 (14) 에 알루미늄 합금으로 이루어지는 냉각기 (20) 를 Mg 함유 Al 계 브레이징재를 사용하여 브레이징 접합한다.
이 Mg 함유 Al 계 브레이징재로는, Al-Si-Mg 박, Al-Cu-Mg 박이나 Al-Ge-Cu-Si-Mg 박 등을 사용할 수 있다. 또, 도 2c 에 나타내는 바와 같이, 코어재의 양면에 Mg 함유 Al 계 브레이징재가 형성된 양면 브레이즈 클래드재 (45) 를 사용할 수도 있다.
본 실시형태의 양면 브레이즈 클래드재 (45) 는, 알루미늄 합금 (예를 들어 A3003 재) 으로 이루어지는 코어재 (46) 의 양면에 Al-Si-Mg 계의 브레이징재층 (47) 이 형성된 클래드재이며, 코어재 (46) 의 양면에 브레이징재를 중첩하여 압연함으로써 형성된다. 코어재 (46) 의 두께는 0.05 ㎜ 이상 0.6 ㎜ 이하이며, 양면의 브레이징재층 (47) 은 5 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하의 두께이다.
이 양면 브레이즈 클래드재 (45) 를 제 2 금속층 (14) 과 냉각기 (20) 사이에 개재시켜 이것들을 적층하고, 도 3 과 동일한 가압 장치 (110) 를 사용하여 적층 방향으로 가압한 상태에서, 가압 장치 (110) 마다 질소 분위기 또는 아르곤 분위기 하에서 가열하여 브레이징한다. 가압력으로는, 예를 들어 0.001 ㎫ 이상 0.5 ㎫ 이하가 되고, 접합 온도로는 Al 과 Cu 의 공정 (共晶) 온도보다 높은 580 ℃ 이상 630 ℃ 이하가 된다.
이 제 3 접합 공정에서는 브레이징의 접합 온도가 Al 과 Cu 의 공정 온도보다 높기 때문에, 만약 Al 을 함유한 용융 브레이징재가 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 1 금속층 (13) 과 접촉하면, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 1 금속층 (13) 이 침식되어, 제 1 금속층 (13) 의 변형 등이 발생한다.
그러나 본 실시형태에서는, 알루미늄으로 이루어지는 제 2 금속층 (14) 의 측면에 브레이징재에 잘 젖지 않는 알루미늄 산화물이 존재하기 때문에, 용융된 Mg 함유 Al 계 브레이징재 (본 실시형태에 있어서는 Al-Si-Mg 계의 브레이징재) 는 이 제 2 금속층 (14) 의 측면을 넘어 제 1 금속층 (13) 과 접촉하지 않아, 제 1 금속층 (13) 을 변형시키는 경우가 없다.
이것은, 용융된 Mg 함유 Al 계 브레이징재가 제 2 금속층 (14) 및 제 1 금속층 (13) 으로 올라가고자 했을 때에, 제 2 금속층 (14) 의 측면에 존재하는 산화물이 브레이징재를 튕겨내는 배리어로서의 효과가 발생하기 때문이다.
또, 본 실시형태에서는, 제 2 금속층 (14) 에 냉각기 (20) 를 브레이징하는 제 3 접합 공정시의 접합 온도가 알루미늄과 구리의 공정 온도보다 높지만, 제 2 금속층 (14) 과 제 1 금속층 (13) 의 계면 부분에는 티탄층 (42) 이 개재되어 있으므로, 제 3 접합 공정의 브레이징시에도 제 2 금속층 (14) 의 알루미늄과 제 1 금속층 (13) 의 구리 사이에서 액상이 발생하지 않아, 제 1 금속층 (13) 이 용융되는 것이 방지된다.
또한, 이 브레이징 후, 제 2 금속층 (14) 과 냉각기 (20) 사이에는, 양면 브레이즈 클래드재 (45) 의 코어재 (46) 였던 알루미늄 합금으로 이루어지는 접합층 (48) 이 얇게 개재된다.
이상과 같이 제조되는 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판 (10) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 양면에 회로층 (12), 제 1 금속층 (13) 을 형성하고, 그 제 1 금속층 (13) 에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 2 금속층 (14) 을 개재하여 알루미늄 합금제의 냉각기 (20) 를 브레이징하므로, Mg 함유 Al 계 브레이징재를 사용하여 저하중으로 브레이징할 수 있다. 또, Mg 함유 Al 계 브레이징재를 사용하여 냉각기 (20) 의 브레이징을 실시하고 있지만, 용융된 Mg 함유 Al 계 브레이징재는 제 2 금속층 (14) 의 측면에서 튕겨지므로, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 1 금속층 (13) 과 접촉하는 경우가 없어, 제 1 금속층 (13) 을 변형시키는 경우가 없다. 이 냉각기 (20) 는, 알루미늄 합금제이고 내부에 유로 (22) 를 갖기 때문에, 비교적 강성이 낮지만, 이 브레이징이 저하중이므로, 냉각기 (20) 를 변형시키지 않고 확실하게 접합할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 실시형태의 구성인 것에 한정되는 것이 아니고, 세부 구성에 있어서는, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지의 변경을 더하는 것이 가능하다.
상기 실시형태에서는, Al 과 Cu 의 공정 온도 이상의 융점을 갖는 Al-Si-Mg 브레이징재를 사용하고 있기 때문에 제 1 금속층 (13) 과 제 2 금속층 (14) 사이에 티탄층 (42) 이 개재되는 구조로 했지만, Al 과 Cu 의 공정 온도 미만의 융점을 갖는 Mg 함유 Al 계 브레이징재 (예를 들어 Al-15Ge-12Si-5Cu-1Mg : 융점 540 ℃) 를 사용하는 경우, 티탄층을 개재시키지 않고 제 1 금속층 (13) 과 제 2 금속층 (14) 을 직접 고상 확산 접합하는 것도 가능하다. 이 경우, 제 1 금속층 (13) 중에는 접합된 제 2 금속층 중의 금속 원자가 확산된 상태에서 존재함과 함께, 제 2 금속층 중에는 제 1 금속층 중의 금속 원자가 확산된 상태에서 존재한다.
또, 이 경우, 제 2 금속층 (14) 에 냉각기 (20) 를 브레이징할 때의 온도가 Al 과 Cu 의 공정 온도 미만이 되므로, 제 2 금속층 (14) 의 알루미늄과 제 1 금속층 (13) 의 구리 사이에서 액상이 발생하지 않아, 제 1 금속층 (13) 이 변형되는 것이 방지된다.
냉각기로는, 상기 서술한 바와 같은 구조에 한정되지 않고 평판재를 사용해도 되고, 재질은 알루미늄 합금에 한정되지 않고 Al 계 또는 Mg 계의 저열선 팽창재 (예를 들어 AlSiC 등) 를 사용할 수 있다.
(제 2 실시형태)
본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판 (210) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (211) 과, 세라믹스 기판 (211) 의 일방의 면에 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 회로층 (212) 과, 세라믹스 기판 (211) 의 타방의 면에 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 1 금속층 (213) 과, 제 1 금속층 (213) 에 접합된 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 제 2 금속층 (214) 과, 제 2 금속층 (214) 에 접합된 알루미늄 합금으로 이루어지는 냉각기 (20) 를 구비한다. 또, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 냉각기 (20) 를 브레이징 접합하는 데에 사용된 양면 클래드재의 일부가, 접합층 (48) 으로서 제 2 금속층 (214) 과 냉각기 (20) 사이에 잔존하고 있다.
이 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판 (210) 에서는, 제 1 금속층 (213) 중에, 그 표면에 접합된 제 2 금속층 (214) 중의 Ni 가 확산된 상태에서 존재하고 있음과 함께, 제 2 금속층 (214) 중에, 그 표면에 접합된 제 1 금속층 (213) 중의 Cu가 확산된 상태에서 존재하고 있다.
또, 이 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판 (210) 에서는, 제 2 금속층 (214) 은 제 1 금속층 (213) 보다 면적이 크다. 이로 인해, 냉각기 (20) 를 접합할 때에 용융된 브레이징재가 제 1 금속층 (213) 에 도달하는 것이 방지되고 있다.
이 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판 (210) 은, 상기 서술한 제 1 실시형태와 동일한 제조 방법에 의해 제조되지만, 제 2 금속층 (214) 이 니켈인 것에 의해, 제 1 접합 공정 및 제 2 접합 공정을 동시에 실시하는 것이 가능하다. 이 경우, 회로층 (212) 및 제 1 금속층 (211) 이 되는 각 금속판을 세라믹스 기판 (211) 에, 은 티탄 (Ag-Ti) 계 또는 은 구리 티탄 (Ag-Cu-Ti) 계의 활성 금속 브레이징재를 사용하여 브레이징 접합하는 것과 동시에, 제 1 금속층 (211) 이 되는 금속판에 제 2 금속층 (214) 이 되는 금속판을 고상 확산 접합한다.
(제 3 실시형태)
본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판 (310) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (311) 과, 세라믹스 기판 (311) 의 일방의 면에 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 회로층 (312) 과, 세라믹스 기판 (311) 의 타방의 면에 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 1 금속층 (313) 과, 제 1 금속층 (313) 에 접합된 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 제 2 금속층 (314) 과, 제 2 금속층 (314) 에 접합된 알루미늄 합금으로 이루어지는 냉각기 (20) 를 구비하고, 추가로 제 2 금속층 (314) 과 냉각기 (20) 사이에 개재되는 알루미늄층 (315) 을 갖는다. 또, 상기 각 실시형태와 마찬가지로, 냉각기 (20) 를 브레이징 접합하는 데에 사용된 양면 클래드재의 일부가, 접합층 (48) 으로서 알루미늄층 (315) 과 냉각기 (20) 사이에 잔존하고 있다.
이 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판 (310) 에서는, 제 1 금속층 (313) 중에, 그 표면에 접합된 제 2 금속층 (314) 중의 Ni 가 확산된 상태에서 존재하고 있음과 함께, 제 2 금속층 (314) 중에, 그 일방의 표면에 접합된 제 1 금속층 (313) 중의 Cu 와, 타방의 표면에 접합된 알루미늄층 (315) 중의 Al 이 확산된 상태에서 존재하고 있다.
(제 4 실시형태)
본 발명의 제 4 실시형태에 관련된 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판 (410) 은, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (411) 과, 세라믹스 기판 (411) 의 일방의 면에 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 회로층 (412) 과, 세라믹스 기판 (411) 의 타방의 면에 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 1 금속층 (413) 과, 제 1 금속층 (413) 에 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 혹은 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 제 2 금속층 (414) 과, 제 2 금속층 (414) 에 접합된 알루미늄 합금으로 이루어지는 냉각기 (20) 를 구비하고, 추가로 제 1 금속층 (413) 과 제 2 금속층 (414) 사이에 개재되는 티탄층 (415) 을 갖는다. 또, 상기 각 실시형태와 마찬가지로, 냉각기 (20) 를 브레이징 접합하는 데에 사용된 양면 클래드재의 일부가, 접합층 (48) 으로서 제 2 금속층 (414) 과 냉각기 (20) 사이에 잔존하고 있다.
이 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판 (410) 에서는, 제 1 금속층 (413) 및 제 2 금속층 (414) 중에, 그 표면에 접합된 티탄층 (415) 중의 Ti 가 확산된 상태에서 존재하고 있다.
또, 이 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판 (410) 에서는, 제 2 금속층 (414) 및 티탄층 (415) 의 적어도 어느 것이, 제 1 금속층 (413) 보다 면적이 크다. 이로 인해, 냉각기 (20) 를 접합할 때에 용융된 브레이징재가 제 1 금속층 (413) 에 도달하는 것이 방지되고 있다.
산업상 이용가능성
구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속층을 알루미늄제 냉각기에 브레이징할 때의 변형의 발생을 방지하여, 열 저항이 작고, 접합 신뢰성이 높은 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판을 제공할 수 있다.
10, 210, 310, 410 : 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판
11, 211, 311, 411 : 세라믹스 기판
12, 212, 312, 412 : 회로층
13, 213, 313, 413 : 제 1 금속층
14, 214, 314, 414 : 제 2 금속층
12', 13' : 구리판 (금속판)
14' : 금속판
20 : 냉각기
21 : 통체
21a : 천판
22 : 유로
23 : 칸막이벽
30 : 반도체 소자
40 : 브레이징재 도포층
41 : 티탄박
42, 415 : 티탄층
45 : 양면 브레이즈 클래드재 (Mg 함유 Al 계 브레이징재)
46 : 코어재
47 : 브레이징층
48 : 접합층
315 : 알루미늄층
11, 211, 311, 411 : 세라믹스 기판
12, 212, 312, 412 : 회로층
13, 213, 313, 413 : 제 1 금속층
14, 214, 314, 414 : 제 2 금속층
12', 13' : 구리판 (금속판)
14' : 금속판
20 : 냉각기
21 : 통체
21a : 천판
22 : 유로
23 : 칸막이벽
30 : 반도체 소자
40 : 브레이징재 도포층
41 : 티탄박
42, 415 : 티탄층
45 : 양면 브레이즈 클래드재 (Mg 함유 Al 계 브레이징재)
46 : 코어재
47 : 브레이징층
48 : 접합층
315 : 알루미늄층
Claims (14)
- 세라믹스 기판의 일방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속판을 접합하여 회로층을 형성함과 함께, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속판을 접합하여 제 1 금속층을 형성하는 제 1 접합 공정과,
알루미늄 또는 알루미늄 합금, 혹은 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 금속판과 상기 제 1 금속층을 고상 확산 접합에 의해 접합하여 제 2 금속층을 형성하는 제 2 접합 공정과,
상기 제 2 금속층에 알루미늄 합금으로 이루어지는 냉각기를 Mg 함유 Al 계 브레이징재를 사용하여 브레이징 접합하는 제 3 접합 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 접합 공정에 있어서, 상기 제 1 금속층과 상기 제 2 금속층 사이에 티탄박을 개재시켜, 상기 제 1 금속층과 상기 티탄박 및 상기 제 2 금속층과 상기 티탄박을 각각 고상 확산 접합하고,
상기 제 3 접합 공정에 있어서, 상기 제 2 금속층과 상기 냉각기를 Al-Si-Mg 계 브레이징재를 사용하여 브레이징 접합하는 것을 특징으로 하는 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 티탄박은 상기 제 1 금속층보다 면적이 큰 것을 특징으로 하는 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 접합 공정에 있어서, 상기 제 2 금속층은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 상기 금속판을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 접합 공정에 있어서, 상기 제 2 금속층은, 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 상기 금속판을 사용하여 형성하고,
상기 제 1 접합 공정 및 상기 제 2 접합 공정을 동시에 실시하는 것을 특징으로 하는 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 2 금속층은 상기 제 1 금속층보다 면적이 큰 것을 특징으로 하는 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 2 접합 공정에 있어서, 상기 제 2 금속층에 알루미늄판을 추가로 적층하여 상기 제 1 금속층과 상기 제 2 금속층 및 상기 제 2 금속층과 상기 알루미늄판을 각각 고상 확산 접합에 의해 접합하는 것을 특징으로 하는 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법. - 세라믹스 기판과,
상기 세라믹스 기판의 일방의 면에 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 회로층과,
상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 1 금속층과,
상기 제 1 금속층에 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 혹은 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 제 2 금속층과,
상기 제 2 금속층에 접합된 알루미늄 합금으로 이루어지는 냉각기를 구비하고,
상기 제 1 금속층 중에, 그 표면에 접합된 부재 중의 금속 원자가 확산된 상태에서 존재하고 있음과 함께,
상기 제 2 금속층 중에, 그 표면에 접합된 부재 중의 금속 원자가 확산된 상태에서 존재하고 있는 것을 특징으로 하는 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 금속층과 상기 제 2 금속층 사이에 개재되는 티탄층을 추가로 갖고,
상기 제 1 금속층 중 및 상기 제 2 금속층 중에, 상기 티탄층 중의 티탄이 확산된 상태에서 존재하고 있는 것을 특징으로 하는 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판. - 제 9 항에 있어서,
상기 티탄층은 상기 제 1 금속층보다 면적이 큰 것을 특징으로 하는 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 금속층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 금속층은 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 2 금속층은 상기 제 1 금속층보다 면적이 큰 것을 특징으로 하는 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 2 금속층과 상기 냉각기 사이에 개재되는 알루미늄층을 추가로 갖는 것을 특징으로 하는 냉각기가 장착된 파워 모듈용 기판.
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