KR20180077204A - 세라믹스/알루미늄 접합체, 절연 회로 기판, 파워 모듈, led 모듈, 열전 모듈 - Google Patents

세라믹스/알루미늄 접합체, 절연 회로 기판, 파워 모듈, led 모듈, 열전 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명의 접합체는, 세라믹스 부재와, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 부재가 접합되어 이루어지는 세라믹스/알루미늄 접합체로서, 상기 세라믹스 부재는, 마그네슘을 포함하는 질화규소로 구성되어 있고, 상기 세라믹스 부재와 상기 알루미늄 부재의 접합 계면에는, 알루미늄, 규소, 산소, 및 질소의 화합물에 마그네슘이 포함된 접합층이 형성되어 있다.

Description

세라믹스/알루미늄 접합체, 절연 회로 기판, 파워 모듈, LED 모듈, 열전 모듈
본 발명은, 세라믹스 부재와, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 부재가 접합되어 이루어지는 세라믹스/알루미늄 접합체, 및 절연 회로 기판과, 이것을 구비한 파워 모듈, LED 모듈, 열전 모듈에 관한 것이다.
본원은, 2015년 11월 26일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2015-231040호, 및 2016년 9월 13일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2016-178530호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
파워 모듈, LED 모듈 및 열전 모듈은, 도전 재료로 이루어지는 회로층 상에 파워 반도체 소자, LED 소자 및 열전 소자가 접합된 구조로 되어 있다.
예를 들어, 풍력 발전, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등을 제어하기 위하여 사용되는 대전력 제어용의 파워 반도체 소자에는, 동작시에 발열량이 많기 때문에, 이것을 탑재하는 기판으로서, 내열성, 절연성이 우수한 질화규소 (Si3N4) 로 이루어지는 세라믹스 기판 (절연층) 이 널리 사용되고 있다.
이러한 세라믹스 기판 (절연층) 의 일방의 면에 도전성이 우수한 금속판을 접합하여 회로층을 형성하고, 또, 타방의 면에 방열성이 우수한 금속층을 접합하여 일체화시킨 절연 회로 기판 (파워 모듈용 기판) 도 제공되고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에 나타내는 파워 모듈은, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에 알루미늄판으로 이루어지는 회로층 및 알루미늄판으로 이루어지는 금속층이 형성된 절연 회로 기판 (파워 모듈용 기판) 과, 이 회로층 상에 솔더재를 개재하여 접합된 반도체 소자를 구비한 구조로 되어 있다.
그리고, 절연 회로 기판 (파워 모듈용 기판) 의 금속층 측에는 히트 싱크가 접합되어 있고, 반도체 소자로부터 절연 회로 기판 (파워 모듈용 기판) 측에 전달된 열을, 히트 싱크를 개재하여 외부로 방산하는 구성으로 되어 있다.
일본 특허 제3171234호 공보
상기 서술한 절연 회로 기판 (파워 모듈용 기판) 에 있어서는, 세라믹스 기판과 알루미늄판의 접합에 Al-Si 계 브레이징재 (brazing filler material) 등을 사용한 예가 나타나 있는데, 질화규소 (Si3N4) 로 이루어지는 세라믹스 기판 (절연층) 과, 알루미늄판의 접합에 있어서는, 세라믹스 기판의 소결 보조제 등의 영향에 의해, 접합 강도를 충분히 유지할 수 없었다.
특히, 파워 반도체 소자의 동작시의 발열에 의한 고온 상태와, 비동작시의 저온 상태의 사이에서 반복해서 냉열 사이클이 가해지는 절연 회로 기판 (파워 모듈용 기판) 에 있어서는, 세라믹스 기판 (절연층) 과 금속층 사이에서 접합 신뢰성이 저하되기 쉽다는 과제가 있었다.
본 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 질화규소로 이루어지는 세라믹스 부재에 알루미늄 부재를 높은 접합 신뢰성을 유지하여 접합한 세라믹스/알루미늄 접합체, 절연 회로 기판, 및 이것을 구비한 파워 모듈, LED 모듈, 열전 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 접합체는, 세라믹스 부재와, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 부재가 접합되어 이루어지는 세라믹스/알루미늄 접합체로서, 상기 세라믹스 부재는, 마그네슘을 포함하는 질화규소로 구성되어 있고, 상기 세라믹스 부재와 상기 알루미늄 부재의 접합 계면에는, 알루미늄, 규소, 산소, 및 질소의 화합물에 마그네슘이 포함된 접합층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 접합체에 의하면, 세라믹스 부재와 알루미늄 부재의 접합 계면에 형성된 마그네슘을 포함하는 접합층이, 접합 계면에 마그네슘이 거의 존재하지 않는 경우와 비교하여, 세라믹스 부재의 두께 방향의 내부에 보다 깊게 형성된다. 즉, 마그네슘의 존재에 의해, 세라믹스 부재의 내부의 보다 깊은 영역까지, 사이알론 (SiAlON) 구조에 마그네슘이 포함된 화합물이 형성된다. 이로써, 세라믹스 부재와 알루미늄 부재의 접합 강도가 높아지고, 접합체의 접합 신뢰성을 향상시키는 것을 가능하게 한다.
상기 접합층의 조성 비율은, 규소가 10 at％ ∼ 18 at％, 산소가 20 at％ ∼ 35 at％, 질소가 25 at％ ∼ 40 at％, 마그네슘이 3 at％ ∼ 8 at％, 잔부가 알루미늄인 것이 바람직하다.
접합층의 조성 비율을 상기 서술한 범위로 함으로써, 세라믹스 부재의 내부의 보다 깊은 영역까지, 접합층을 구성하는 사이알론 구조에 마그네슘이 포함된 화합물이 형성되고, 세라믹스 부재와 알루미늄 부재의 접합 강도를 높일 수 있다.
접합층의 마그네슘 농도가 3 at％ 미만인 경우, 접합층의 생성이 불균일해지고, 접합성이 저하될 우려가 있다. 또, 마그네슘 농도가 8 at％ 를 초과하면, 마그네슘이 과잉으로 존재함으로써, 접합층이 물러지고, 접합 신뢰성이 저하될 우려가 있다.
또, 본 발명의 접합체는, 상기 세라믹스 부재의 표면으로부터 상기 알루미늄 부재 측으로 10 ㎛ 이간된 위치에 있어서, 구리의 농도가 1.2 mass％ 이하 또한 철의 농도가 0.6 mass％ 이하인 것이 바람직하다.
이 경우, 접합 계면 근방에 있어서의, 구리의 농도가 1.2 mass％ 이하 또한 철의 농도가 0.6 mass％ 이하이기 때문에, 알루미늄 부재 중 세라믹스 부재와의 접합 계면의 근방이, 과잉으로 단단해지는 것을 억제할 수 있어, 세라믹스 부재에 균열 등이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
본 발명의 절연 회로 기판은, 세라믹스 기판과, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판이 접합되어 이루어지는 절연 회로 기판으로서, 상기 세라믹스 기판은, 마그네슘을 포함하는 질화규소로 구성되어 있고, 상기 세라믹스 기판과 상기 알루미늄판의 접합 계면에는, 알루미늄, 규소, 산소, 및 질소의 화합물에 마그네슘이 포함된 접합층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 절연 회로 기판에 의하면, 세라믹스 기판과 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판의 접합 계면에 생기는 마그네슘을 포함하는 접합층이, 접합 계면에 마그네슘이 거의 존재하지 않는 경우와 비교하여, 세라믹스 기판의 두께 방향의 내부에 보다 깊게 형성된다. 즉, 마그네슘의 존재에 의해, 세라믹스 기판의 내부의 보다 깊은 영역까지, 사이알론 구조에 마그네슘이 포함된 화합물이 형성된다. 이로써, 세라믹스 기판과 알루미늄판의 접합 강도가 높아지고, 절연 회로 기판의 접합 신뢰성을 향상시키는 것을 가능하게 한다.
상기 접합층의 조성 비율은, 규소가 10 at％ ∼ 18 at％, 산소가 20 at％ ∼ 35 at％, 질소가 25 at％ ∼ 40 at％, 마그네슘이 3 at％ ∼ 8 at％, 잔부가 알루미늄인 것이 바람직하다.
접합층의 조성 비율을 상기 서술한 범위로 함으로써, 세라믹스 기판의 내부의 보다 깊은 영역까지, 접합층을 구성하는 사이알론 구조에 마그네슘이 포함된 화합물이 형성되고, 세라믹스 기판과 알루미늄판의 접합 강도를 높일 수 있다.
접합층의 마그네슘 농도가 3 at％ 미만인 경우, 접합층의 생성이 불균일해지고, 접합성이 저하될 우려가 있다. 또, 마그네슘 농도가 8 at％ 를 초과하면, 마그네슘이 과잉으로 존재함으로써, 접합층이 물러지고, 접합 신뢰성이 저하될 우려가 있다.
또, 본 발명의 절연 회로 기판은, 상기 세라믹스 기판의 표면으로부터 상기 알루미늄판 측으로 10 ㎛ 이간된 위치에 있어서, 구리의 농도가 1.2 mass％ 이하 또한 철의 농도가 0.6 mass％ 이하인 것이 바람직하다.
이 경우, 접합 계면 근방에 있어서의, 구리의 농도가 1.2 mass％ 이하 또한 철의 농도가 0.6 mass％ 이하이기 때문에, 알루미늄판 중 세라믹스 기판과의 접합 계면의 근방이, 과잉으로 단단해지는 것을 억제할 수 있어, 세라믹스 기판에 균열 등이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
본 발명의 파워 모듈은, 상기 서술한 절연 회로 기판과, 이 절연 회로 기판에 탑재된 파워 반도체 소자를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 LED 모듈은, 상기 서술한 절연 회로 기판과, 이 절연 회로 기판에 탑재된 LED 소자를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 열전 모듈은, 상기 서술한 절연 회로 기판과, 이 절연 회로 기판에 탑재된 열전 소자를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 파워 모듈, LED 모듈 및 열전 모듈에 의하면, 세라믹스 기판과 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판의 접합 계면에 생기는 마그네슘을 포함하는 접합층이, 접합 계면에 마그네슘이 거의 존재하지 않는 경우와 비교하여, 세라믹스 기판의 두께 방향의 내부에 보다 깊게 형성된다. 즉, 마그네슘의 존재에 의해, 세라믹스 기판의 내부의 보다 깊은 영역까지, 사이알론 구조에 마그네슘이 포함된 화합물이 형성된다. 이로써, 세라믹스 기판과 알루미늄판의 접합 강도가 높아지고, 파워 모듈, LED 모듈 및 열전 모듈의 접합 신뢰성을 향상시키는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 의하면, 질화규소로 이루어지는 세라믹스 부재에 알루미늄 부재를 높은 접합 신뢰성을 유지하여 접합한 세라믹스/알루미늄 접합체, 절연 회로 기판, 및 이것을 구비한 파워 모듈, LED 모듈 및 열전 모듈을 제공할 수 있다.
도 1 은 제 1 실시형태의 세라믹스/알루미늄 접합체, 및 파워 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 2 는 제 1 실시형태의 세라믹스/알루미늄 접합체의 접합 계면의 근방을 나타내는 요부 확대 단면도이다.
도 3 은 제 2 실시형태의 세라믹스/알루미늄 접합체의 접합 계면의 근방을 나타내는 요부 확대 단면도이다.
도 4 는 도 3 에 있어서의 질화알루미늄층의 요부 확대 단면도이다.
도 5 는 실시예 2 에 있어서의 질화알루미늄층의 두께의 측정예를 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 각 실시형태는, 발명의 취지를 보다 잘 이해시키기 위하여 구체적으로 설명하는 것이며, 특별히 지정이 없는 한, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또, 이하의 설명에서 사용하는 도면은, 본 발명의 특징을 알기 쉽게 하기 위하여, 편의상, 요부가 되는 부분을 확대하여 나타내고 있는 경우가 있으며, 각 구성 요소의 치수 비율 등이 실제와 동일하다고는 한정되지 않는다. 또, 이하의 설명에 있어서, 「브레이징재 (brazing filler material)」는 반드시 납을 포함하는 재료에 한정되지 않는다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
(제 1 실시형태)
도 1 은, 제 1 실시형태의 세라믹스/알루미늄 접합체, 절연 회로 기판을 나타내는 단면도이다.
본 실시형태인 세라믹스/알루미늄 접합체는, 세라믹스 부재로서 세라믹스 기판 (11), 알루미늄 부재로서 알루미늄판이 접합되어 이루어지는 회로층 (12), 알루미늄 부재로서 알루미늄판이 접합되어 이루어지는 금속층 (13) 을 구비한 절연 회로 기판 (10) 으로 되어 있다.
또, 본 실시형태의 파워 모듈 (30) 은, 절연 회로 기판 (10) 의 회로층 (12) 에, 솔더층 (23) 을 개재하여 파워 반도체 소자 등의 반도체 소자 (24) 를 실장하여 이루어진다.
또, 본 실시형태에서는, 금속층 (13) 의 세라믹스 기판 (11) 과는 반대측의 면에 냉각기 (14) 를 형성하여, 냉각기가 부착된 절연 회로 기판 (20) 으로 하고 있다.
세라믹스 기판 (세라믹스 부재) (11) 은, 절연성 및 방열성이 우수한 Si3N4 (질화규소) 의 적어도 표면에 마그네슘 (Mg) 을 포함하는 세라믹스 재료로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 예를 들어, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.32 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 1 및 도 2 에 있어서 상면) 에 알루미늄 또는 알루미늄 합금판 (알루미늄 부재) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 알루미늄 또는 알루미늄 합금판 (알루미늄 부재) 은, 예를 들어, 순도가 99 질량％ 이상인 알루미늄 (2 N 알루미늄) 이나 순도 99.9 질량％ 이상인 알루미늄이나 순도가 99.99 질량％ 이상인 알루미늄 등의 압연판으로 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 순도가 99 질량％ 이상인 알루미늄 (2 N 알루미늄) 을 사용하고 있다. 또한, 회로층 (12) 의 두께는, 예를 들어 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
금속층 (13) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 1 및 도 2 에 있어서 하면) 에 알루미늄 또는 알루미늄 합금판 (알루미늄 부재) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 알루미늄 또는 알루미늄 합금판 (알루미늄 부재) 은, 예를 들어, 순도가 99 질량％ 이상인 알루미늄 (2 N 알루미늄) 이나 순도 99.9 질량％ 이상인 알루미늄이나 순도가 99.99 질량％ 이상인 알루미늄 등의 압연판으로 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 순도가 99 질량％ 이상인 알루미늄 (2 N 알루미늄) 을 사용하고 있다. 또한, 금속층 (13) 의 두께는, 예를 들어 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 2.1 ㎜ 로 설정되어 있다.
도 2 는, 세라믹스 기판 (11) 과, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면을 포함하는 영역을 나타내는 요부 확대 단면도이다.
절연 회로 기판 (세라믹스/알루미늄 접합체) (10) 을 구성하는 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) (11) 과, 회로층 (알루미늄 부재, 알루미늄판) (12) 및 금속층 (알루미늄 부재, 알루미늄판) (13) 은, 각각 Al-Si 계 브레이징재를 사용하여 접합되어 있다. 그리고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면에는, 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 산소 (O), 및 질소 (N) 의 화합물에 마그네슘 (Mg) 이 포함된 접합층 (21) 이 각각 형성되어 있다.
접합층 (21) 은, Al-Si 계 브레이징재에 의해 세라믹스 기판 (11) 과, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 을 각각 접합했을 때에, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면과 회로층 (12), 및 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면과 금속층 (13) 의 접합 계면에 각각 생기는 층이다. 이러한 접합층 (21) 은, 소정의 농도 범위의 Mg 가 포함된 SiAlON 화합물로 구성되어 있다.
또한, 여기서 말하는 SiAlON 화합물이란, 규소 원자의 일부에 알루미늄 원자가 치환되고, 질소 원자의 일부에 산소 원자가 치환되어 사이알론 구조를 이루는 것이며, 접합층 (21) 에는, 이 사이알론 구조의 일부에 마그네슘이 포함되어 있다. 마그네슘이 포함되는 형태는, 사이알론 구조를 이루는 원소의 일부가 마그네슘으로 치환된 것이나, 사이알론 구조에 추가로 마그네슘이 부가된 것 등이다. 접합층 (21) 에 포함되는 마그네슘은, 마그네슘이 포함된 Si3N4 (질화규소) 로 이루어지는 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) (11) 에서 유래한다.
이와 같은 접합층 (21) 의 원소의 조성 비율은, 규소가 10 at％ ∼ 18 at％, 산소가 20 at％ ∼ 35 at％, 질소가 25 at％ ∼ 40 at％, 마그네슘이 3 at％ ∼ 8 at％, 잔부가 알루미늄으로 되어 있다. 접합층 (21) 의 바람직한 조성 비율은, 규소가 12 at％ ∼ 16 at％, 산소가 24 at％ ∼ 32 at％, 질소가 28 at％ ∼ 36 at％, 마그네슘이 4.0 at％ ∼ 7.5 at％ (더욱 바람직하게는, 4.8 at％ ∼ 6.9 at％), 잔부가 알루미늄이지만, 이것에 한정되지 않는다. 접합층 (21) 의 조성 비율의 일례가, 규소 : 14.1 at％, 산소 : 29.1 at％, 질소 : 32.9 at％, 마그네슘 : 6.3 at％, 알루미늄 : 17.7 at％ 이다.
또, 접합층 (21) 의 두께는, 바람직하게는 1.0 ㎚ 이상 10 ㎚ 이하, 보다 바람직하게는 1.0 ㎚ 이상 7 ㎚ 이하이지만, 이것에 한정되지 않는다.
접합층 (21) 은, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면에 마그네슘이 거의 존재하지 않는 경우와 비교하여, 세라믹스 기판 (11) 의 두께 방향 (내부) 에, 보다 깊게 형성된다. 즉, 마그네슘의 존재에 의해, 세라믹스 기판 (11) 의 내부의 보다 깊은 영역까지, 사이알론 구조에 마그네슘이 포함된 화합물이 형성된다. 이로써, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 강도가 높아지고, 접합 신뢰성이 향상된다.
또, 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) (11) 과, 회로층 (알루미늄 부재) (12) 및 금속층 (알루미늄 부재) (13) 의 접합 계면에 있어서는, 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) (11) 의 표면으로부터 회로층 (알루미늄 부재) (12) 및 금속층 (알루미늄 부재) (13) 측으로 10 ㎛ 이간된 위치의 구리의 농도가 1.2 mass％ 이하 또한 철의 농도가 0.6 mass％ 이하인 것이 바람직하다.
구리의 농도가 1.2 mass％ 이하 또한 철의 농도가 0.6 mass％ 이하이기 때문에, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 중 세라믹스 기판 (11) 과의 접합 계면의 근방이, 과잉으로 단단해지는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이나 갈라짐이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 이 구리의 농도의 하한은 0 mass％, 철의 농도의 하한은 0 mass％ 인 것이 바람직하고, 구리의 농도가 0 mass％ 이상 0.1 mass％ 이하 또한 철의 농도가 0 mass％ 이상 0.1 mass％ 이하인 것이 보다 바람직하고, 구리의 농도가 0 mass％ 이상 0.02 mass％ 이하 또한 철의 농도가 0 mass％ 이상 0.02 mass％ 이하인 것이 더욱 바람직하지만, 이것에 한정되지 않는다. 또한, 0 mass％ 는, 측정 장치의 측정 한계값 이하의 값을 포함하는 것으로 한다.
냉각기 (14) 는, 절연 회로 기판 (10) 의 열을 효율적으로 방산시키기 위한 것이며, 본 실시형태의 냉각기가 부착된 절연 회로 기판 (20) 에서는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 냉각 매체가 유통되는 복수의 유로 (15) 가 형성되어 있다. 이 냉각기 (14) 는, 예를 들어, 알루미늄 합금으로 구성되어 있고, 본 실시형태에서는 A6063 으로 구성되어 있다. 냉각기 (14) 와 금속층 (13) 은, 예를 들어, Al-Si 계 브레이징재에 의해 직접 접합되어 있다.
이상과 같은 구성의 절연 회로 기판 (세라믹스/알루미늄 접합체) (10) 및 파워 모듈 (30) 에 의하면, 적어도 표면에 마그네슘을 포함하는 Si3N4 (질화규소) 를 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) (11) 으로서 사용하고, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면과 회로층 (알루미늄 부재, 알루미늄판) (12) 의 접합 계면, 및 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면과 금속층 (알루미늄 부재, 알루미늄판) (13) 의 접합 계면에, 각각 SiAlON 화합물에 소정의 농도 범위의 Mg 가 포함되어 이루어지는 접합층 (21) 을 형성함으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 신뢰성이 높아진다.
이로써, 예를 들어, 반도체 소자 (24) 의 발열에 의한 고온 상태와, 비동작시의 저온 상태의 사이에서 반복해서 냉열 사이클이 가해지는 환경이어도, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면에서 균열이나 박리가 발생하는 것을 확실히 방지할 수 있다.
또한, 상기 서술한 제 1 실시형태의 절연 회로 기판 (세라믹스/알루미늄 접합체) (10) 에서는, 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) (11) 의 일방의 면과 타방의 면에, 회로층 (알루미늄 부재, 알루미늄판) (12), 금속층 (알루미늄 부재, 알루미늄판) (13) 을 각각 형성하고 있지만, 본 발명의 절연 회로 기판은, Mg 를 포함하는 Si3N4 로 이루어지는 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) 의 적어도 어느 일방의 면에, Mg 를 포함하는 SiAlON 구조를 갖는 접합층을 개재하여 알루미늄판 (알루미늄 부재) 이 접합된 구성이면 된다.
구체적으로는, 상기 서술한 제 1 실시형태의 회로층을 Cu 판으로 구성하고, 세라믹스 기판의 타방의 면측만, Mg 를 포함하는 SiAlON 구조를 갖는 접합층을 개재하여 알루미늄판 (알루미늄 부재) 을 접합한 구성으로 할 수도 있다.
또, 이것과는 반대로, 세라믹스 기판의 일방의 면측만, Mg 를 포함하는 SiAlON 구조를 갖는 접합층을 개재하여 알루미늄판 (알루미늄 부재) 을 접합하고, 세라믹스 기판의 타방의 면측은, Cu 등으로 이루어지는 금속층으로 한 구성으로 할 수도 있다.
(제 2 실시형태)
도 3 은, 제 2 실시형태의 세라믹스/알루미늄 접합체, 절연 회로 기판을 나타내는 단면도이다.
또한, 제 1 실시형태와 동일한 구성에는 동일한 번호를 붙이고, 그 상세한 설명을 생략한다.
본 실시형태인 세라믹스/알루미늄 접합체는, Si3N4 (질화규소) 에 마그네슘 (Mg) 을 포함하는 재료로 구성되는 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) (11), 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 3 에 있어서 상면) 에 형성된 회로층 (알루미늄판, 알루미늄 부재) (12), 및 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 3 에 있어서 하면) 에 접합된 금속층 (알루미늄판, 알루미늄 부재) (13) 을 구비한 절연 회로 기판 (파워 모듈용 기판) (10) 으로 되어 있다.
또, 본 실시형태의 파워 모듈 (30) 은, 절연 회로 기판 (10) 의 회로층 (12) 에, 솔더층 (23) 을 개재하여 파워 반도체 소자 등의 반도체 소자 (24) 를 실장하여 이루어진다.
또, 본 실시형태에서는, 금속층 (13) 의 세라믹스 기판 (11) 과는 반대측의 면에 냉각기 (14) 를 겹쳐서 형성하고, 냉각기가 부착된 절연 회로 기판 (20) 으로 하고 있다.
도 3 은, 세라믹스 기판과, 회로층 및 금속층의 접합 계면을 포함하는 영역을 나타내는 요부 확대 단면도이다.
본 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) (11) 과 알루미늄판 (알루미늄 부재) 은, Al-Si-Mg 계 브레이징재를 사용하여 접합되어 있다. 예를 들어, Al-Si-Mg 계 브레이징재 박 (箔) 을 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) (11) 과, 회로층 (12) 이 되는 알루미늄판 (알루미늄 부재) 및 금속층 (13) 이 되는 알루미늄판 (알루미늄 부재) 사이에 각각 배치하여 가열함으로써, 각각의 계면을 접합한다.
세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면에는, 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 산소 (O), 및 질소 (N) 의 화합물에 마그네슘 (Mg) 이 포함된 접합층 (21) 이 각각 형성되어 있다.
접합층 (21) 은, Al-Si-Mg 계 브레이징재에 의해 세라믹스 기판 (11) 과, 회로층 (12), 및 금속층 (13) 을 각각 접합했을 때에, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면과 회로층 (12), 및 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면과 금속층 (13) 의 접합 계면에 각각 생기는 층이다. 이러한 접합층 (21) 은, 소정의 농도 범위의 Mg 가 포함된 SiAlON 화합물이다.
그리고, 본 실시형태에 있어서는, 접합층 (21) 과 회로층 (12) 사이 및 접합층 (21) 과 금속층 (13) 사이에, 질화알루미늄층 (22) 이 형성되어 있다. 질화알루미늄층 (22) 은, 세라믹스 기판 (11) 과, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 을 구성하는 알루미늄판의 접합시에, Al 과, 세라믹스 기판 (11) 을 구성하는 Si3N4 가 분해되어 생성된 N 이 반응하여 형성된 것이다.
여기서, 접합층 (21) 과 회로층 (12) 및 금속층 (13) (알루미늄 부재) 사이에 형성된 질화알루미늄층 (22) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 접합층 (21) 측으로부터 순서대로, 질소 농도가 높고, 또한, 두께 방향으로 질소의 농도 경사를 갖는 제 1 질화알루미늄층 (22a) 과, 질소 농도가 일정하게 된 제 2 질화알루미늄층 (22b) 을 구비하고 있다. 제 1 질화알루미늄층 (22a) 에 있어서의 N 농도는 50 at％ 이상 80 at％ 이하의 범위 내로 되어 있고, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 측보다 접합층 (21) 측의 N 농도가 높아져 있다. 제 2 질화알루미늄층 (22b) 에 있어서의 N 농도는 30 at％ 이상 50 at％ 미만의 범위 내로 되어 있다. 또한, 이 질화알루미늄층 (22) 은, Mg 를 포함하는 경우도 있다.
또, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 제 2 질화알루미늄층 (22b) 과 회로층 (12) 및 금속층 (13) (알루미늄 부재) 사이에, 산소 (O) 를 함유하는 AlN 으로 이루어지는 제 3 질화알루미늄층 (22c) 이 존재하는 경우도 있다. 또한, 이 제 3 질화알루미늄층 (22c) 은, Mg 를 포함하는 경우도 있다.
상기 서술한 질화알루미늄층 (22) 의 두께는 4 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내로 하면 된다. 질화알루미늄층 (22) 의 두께를 4 ㎚ 이상으로 함으로써, 접합 계면 근방의 Si3N4 가 확실히 분해되게 되고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 및 금속층 (13) (알루미늄 부재) 의 접합 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있다. 한편, 질화알루미늄층 (22) 의 두께를 100 ㎚ 이하로 함으로써, 열팽창 계수의 차이에 의해 질화알루미늄층 (22) 에 갈라짐이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 및 금속층 (13) (알루미늄 부재) 의 접합 신뢰성을 더욱 향상시키기 위해서는, 질화알루미늄층 (22) 의 두께의 하한을 5 ㎚ 로 하는 것이 바람직하고, 15 ㎚ 로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 질화알루미늄층 (22) 에 있어서의 갈라짐의 발생을 더욱 억제하기 위해서는, 질화알루미늄층 (22) 의 두께의 상한을 80 ㎚ 로 하는 것이 바람직하고, 60 ㎚ 로 하는 것이 더욱 바람직하다.
이상과 같은 구성의 절연 회로 기판 (세라믹스/알루미늄 접합체) (10) 에 있어서도, 마그네슘을 포함하는 Si3N4 (질화규소) 를 세라믹스 기판 (11) 으로서 사용하고, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면과 회로층 (12), 및 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면과 금속층 (13) 의 각각의 접합 계면에, SiAlON 화합물에 소정의 농도 범위의 Mg 가 포함되어 이루어지는 접합층 (21) 을 형성함으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 신뢰성이 높아진다.
이로써, 예를 들어, 파워 모듈 (30) 을 구성하는 반도체 소자 (24) 의 발열에 의한 고온 상태와, 비동작시의 저온 상태의 사이에서 반복해서 냉열 사이클이 가해지는 환경이어도, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면에서 균열이나 박리가 발생하는 것을 확실히 방지할 수 있다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 접합층 (21) 과 회로층 (12) 사이 및 접합층 (21) 과 금속층 (13) 사이에 질화알루미늄층 (22) 이 형성되어 있기 때문에, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 및 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) 의 접합 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 서술한 실시형태 이외에도, 예를 들어, 회로층이나 금속층을 알루미늄판과 구리판이 접합된 것으로 구성할 수도 있다. 이 경우, 예를 들어, 무산소동의 압연판과 알루미늄판을 고상 확산 접합함으로써, 회로층이나 금속층을 형성할 수 있다.
(제 1 실시형태에 나타낸 절연 회로 기판의 제조 방법)
다음으로, 제 1 실시형태에 나타낸 절연 회로 기판 (세라믹스/알루미늄 접합체) 의 제조 방법의 일례에 대해 설명한다.
도 1 에 나타내는 절연 회로 기판 (세라믹스/알루미늄 접합체) 을 제조할 때에는, 먼저, 마그네슘이 포함된 Si3N4 (질화규소) 로 이루어지는 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) (11) 을 준비한다.
다음으로, 이 마그네슘을 함유하는 Si3N4 (질화규소) 로 이루어지는 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면측 (회로층을 접합시키는 면측) 및 타방의 면측 (금속층을 접합시키는 면측) 에, 각각, 예를 들어, 산화마그네슘 (MgO) 등의 마그네슘 화합물을 현재화 (顯在化) 시키는 마그네슘 현재화 처리를 실시한다. 구체적으로는, 예를 들어, 먼저, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면측 및 타방의 면측을 호닝 처리에 의해 청정화한다.
호닝 처리로는, 연마구를 사용한 드라이 호닝, 혹은 연마 입자를 포함하는 연마액을 사용한 웨트 호닝 등을 들 수 있다. 이러한 호닝 처리에 의해, 세라믹스 기판 (11) 의 표면에 존재하는 불순물을 제거하여, 청정화한다.
다음으로, 호닝 처리를 실시한 세라믹스 기판 (11) 에 대하여, 알칼리액에 의한 에칭 처리를 실시한다. 이 에칭 처리에서는, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면측이나 타방의 면측에 존재하는 알루미나 (Al2O3) 나 산화이트륨 (Y2O3) 등의 불순물을 용해 제거하고, 알칼리액에 대하여 내에칭성이 있는 산화마그네슘 (MgO) 등의 마그네슘 화합물을 선택적으로 잔류시킨다.
이러한 마그네슘 현재화 처리를 실시함으로써, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면측이나 타방의 면측의 마그네슘 화합물이 현재화된다. 예를 들어, 세라믹스 기판 (11) 의 표면의 마그네슘 화합물의 농도가 높아진다. 또한, 세라믹스 기판 (11) 의 표면에 있어서의 마그네슘의 농도는, 바람직하게는 0.4 at％ 이상 1.4 at％ 이하, 보다 바람직하게는 0.5 at％ 이상 1.2 at％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.62 at％ 이상 1.01 at％ 이하이지만, 이것에 한정되지 않는다.
또한, 알칼리액에 의한 에칭 처리에는, 수산화나트륨 수용액이나 암모니아수, 유기 아민류나 그 수용액 등을 사용할 수 있다. 예를 들어, 수산화나트륨 수용액을 사용하는 경우, pH 가 12 ∼ 14 인 수산화나트륨 수용액을 사용할 수 있다. 에칭 처리 시간은 5 분 ∼ 30 분의 범위 내, 바람직하게는 10 분 ∼ 20 분의 범위 내로 할 수 있다. 또, 에칭 처리는, 70 ℃ ∼ 90 ℃ 의 범위 내에서 실시할 수 있다.
이들 범위 내에서, 알칼리액에 의한 에칭 처리를 실시함으로써, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면측이나 타방의 면측의 표면의 마그네슘 화합물을 현재화시킬 수 있음과 함께, 알칼리액에 의한 세라믹스 기판 (11) 의 탈립 (脫粒) 이나 표면 조도의 증가 등을 방지할 수 있고, 접합성이나 접합 신뢰성의 저하를 방지할 수 있다.
다음으로, 이 마그네슘 화합물을 현재화시킨 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면측, 및 타방의 면측에, Si 를 1 mass％ 이상 12 mass％ 이하의 범위 내에서 함유하는 알루미늄 합금으로 이루어지는 브레이징재 박 또는 브레이징재 페이스트를 배치한다. 브레이징재 박을 사용하는 경우에는, 두께가 5 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하의 범위 내의 박재를 사용하면 된다. 브레이징재 페이스트를 사용하는 경우에는, 금속 성분의 환산 두께가 5 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하의 범위 내가 되도록 도포하면 된다. 또한, 금속 성분의 환산 두께란, 브레이징재 페이스트 배합비로부터 산출되는 유기 성분 중량을 브레이징재 페이스트의 도포 중량으로부터 제외한 중량 (금속 성분 중량) 과, 브레이징재 페이스트에 사용한 알루미늄 합금의 Al : Si 비를 사용하여 단위면적당의 두께로 환산한 것이다. 그리고, 브레이징재 박 또는 브레이징재 페이스트 상에 알루미늄판 (알루미늄 부재) 을 겹친다. 그리고 상기 서술한 적층체를 적층 방향으로 가압한 상태에서 가열로 내에 장입하여 가열한다. 가압 압력은, 바람직하게는 0.098 ㎫ 이상 3.43 ㎫ 이하로 한다.
그러면, 브레이징재와 알루미늄판의 일부가 용융되고, 알루미늄판과 세라믹스 기판의 계면에 각각 용융 금속 영역이 형성된다. 이 가열 공정의 조건은, 분위기는 진공 분위기 (10-4 ㎩ 이상 10-3 ㎩ 이하) 또는 산소 분압이 500 volppm 이하인 질소 분위기, 접합 온도는 580 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내, 가열 시간은 1 분 이상 180 분 이하의 범위 내로 되어 있다. 이 가열 공정에 의해, 세라믹스 기판 (11) 의 심부 (深部) 까지 SiAlON 에 Mg 가 포함된 접합층 (21) 이 형성된다.
이렇게 하여 얻어진 접합층 (21) 의 조성 비율은, 규소가 10 at％ ∼ 18 at％, 산소가 20 at％ ∼ 35 at％, 질소가 25 at％ ∼ 40 at％, 마그네슘이 3 at％ ∼ 8 at％, 잔부가 알루미늄으로 되어 있다. 접합층 (21) 의 조성 비율의 일례가, 규소 : 11.7 at％, 산소 : 25.4 at％, 질소 : 36.5 at％, 마그네슘 : 3.9 at％, 알루미늄 : 22.5 at％ 이다.
또, 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) (11) 과, 회로층 (알루미늄 부재) (12) 및 금속층 (알루미늄 부재) (13) 의 접합 계면에 있어서, 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) (11) 의 표면으로부터 회로층 (12) 측 및 금속층 (13) 측으로 10 ㎛ 이간된 위치의 구리의 농도가 1.2 mass％ 이하 또한 철의 농도가 0.6 mass％ 이하인 것이 바람직하다.
이렇게 하여 얻어진 제 1 실시형태의 절연 회로 기판 (세라믹스/알루미늄 접합체) (10) 은, 마그네슘이 포함되지 않는 세라믹스 기판을 사용한 경우와 비교하여, 세라믹스 기판 (11) 의 내부의 보다 깊은 영역까지, 사이알론 구조에 마그네슘이 포함된 화합물이 형성된다. 이로써, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12), 금속층 (13) 의 접합 강도가 높아지고, 접합 신뢰성이 향상된다.
또, 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) (11) 과, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면에 있어서, 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) (11) 의 표면으로부터 회로층 (12) 측 및 금속층 (13) 측으로 10 ㎛ 이간된 위치의 구리의 농도를 1.2 mass％ 이하 또한 철의 농도를 0.6 mass％ 이하로 함으로써, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 중 세라믹스 기판 (11) 과의 접합 계면의 근방이, 과잉으로 단단해지는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이나 갈라짐이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 이들 구리나 철은, 알루미늄판이나 브레이징재에 포함되어 있던 불순물에서 유래하는 것이다.
이 후에, 얻어진 절연 회로 기판 (세라믹스/알루미늄 접합체) (10) 을 사용하여 냉각기가 부착된 절연 회로 기판 (20) 을 제조할 때에는, 금속층 (13) 의 세라믹스 기판 (11) 과는 반대측의 면에 겹쳐서, 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 이루어지는 냉각기 (14) 를, 예를 들어 Al-Si 계 브레이징재를 사용하여 접합한다. 이로써, 냉각기가 부착된 절연 회로 기판 (20) 을 제조할 수 있다.
(제 2 실시형태에 나타낸 절연 회로 기판의 제조 방법)
다음으로, 제 2 실시형태에 나타낸 절연 회로 기판 (세라믹스/알루미늄 접합체) 의 제조 방법의 일례에 대해 설명한다.
제 2 실시형태에 나타낸 절연 회로 기판의 제조 방법은, 전술한 제 1 실시형태에 나타낸 절연 회로 기판의 제조 방법에 있어서, 세라믹스 기판과 알루미늄판의 접합에 Al-Si-Mg 계의 브레이징재를 사용하는 점에서 상이하다.
Al-Si-Mg 계 브레이징재로서, Si 를 1 mass％ 이상 12 mass％ 이하의 범위 내, Mg 를 0 mass％ 를 초과 0.20 mass％ 이하의 범위 내에서 함유하는 알루미늄 합금으로 이루어지는 브레이징재 박 또는 브레이징재 페이스트를 사용할 수 있다. 브레이징재 박을 사용하는 경우에는, 두께가 5 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하의 범위 내의 박재를 사용하면 된다. 브레이징재 페이스트를 사용하는 경우에는, 금속 성분의 환산 두께가 5 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하의 범위 내가 되도록 도포하면 된다.
또한, Mg 의 함유량은 0.05 mass％ 이상 0.20 mass％ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
이와 같은 Al-Si-Mg 계 브레이징재를 사용하여, 세라믹스 기판과 알루미늄판을 접합함으로써, 규소가 10 at％ ∼ 18 at％, 산소가 20 at％ ∼ 35 at％, 질소가 25 at％ ∼ 40 at％, 마그네슘이 3 at％ ∼ 8 at％, 잔부가 알루미늄으로 된 접합층 (21) 이 형성됨과 함께, 접합층 (21) 과 회로층 (12) 사이 및 접합층 (21) 과 금속층 (13) 사이에, 질화알루미늄층 (22) 이 형성된다.
본 발명의 실시형태를 설명했지만, 이들 각 실시형태는 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 각 실시형태는, 그 밖의 여러 가지 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 여러 가지 생략, 치환, 추가, 내지 변경을 실시할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형예는, 발명의 범위나 요지에 포함되는 것과 동일하게, 특허 청구의 범위에 기재된 발명과 그 균등 범위에 포함되는 것이다.
또, 본 실시형태에서는, 절연 회로 기판에 파워 반도체 소자를 탑재하여 파워 모듈을 구성하는 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 절연 회로 기판의 회로층에 LED 소자를 탑재하여 LED 모듈을 구성해도 되고, 절연 회로 기판의 회로층에 열전 소자를 탑재하여 열전 모듈을 구성해도 된다. 열전 소자로는, 예를 들어, 마그네슘실리사이드나 망간실리사이드, Bi2Te3, PbTe, CoSb3, SiGe 등을 사용할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에 각각 알루미늄판을 접합하여 회로층 및 금속층을 형성한 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되지는 않으며, 세라믹스 기판의 일방의 면에만 알루미늄판을 접합하여 회로층을 형성하고, 금속층을 형성하지 않아도 되고, 금속층을 다른 금속 등으로 구성해도 된다. 또, 세라믹스 기판의 타방의 면에만 알루미늄판을 접합하여 금속층을 형성하고, 회로층을 다른 금속 등으로 구성해도 된다.
실시예
이하, 본 실시형태의 효과를 검증한 실험예를 나타낸다.
(실시예 1)
먼저, 질화규소 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜ × 두께 0.32 ㎜) 을, 질화규소 기판 표면의 Mg 농도가 표 1 에 기재된 바와 같이 되도록 상기 서술한 실시형태에 기재된 방법에 의해 제조하였다. 또한, Mg 농도는, 표면의 EPMA (전자 프로브 마이크로 애널라이저) 분석에 의해 구하였다. 또한, EPMA 분석은, 니혼 덴시 주식회사 제조 FE-EPMA JXA-8530F 를 사용하고, 가속 전압 15 ㎸, 빔 전류 50 ㎁ 의 조건으로 10 지점 측정 (점 분석) 을 실시하여, 그 평균값을 Mg 농도로 하였다.
그리고, 얻어진 각 질화규소의 일방의 면에 회로층이 되는 표 1 에 기재된 Al 판재로 이루어지는 Al 판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.6 ㎜) 을, 타방의 면에 금속층이 되는 표 1 에 기재된 Al 판재로 이루어지는 Al 판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 1.6 ㎜) 을 표 1 에 기재된 브레이징재 박 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.015 ㎜) 을 개재하여 적층하였다. 그리고, 이것들을 적층 방향으로 5 kgf/㎠ 로 가압하면서 가열함으로써, Al 판과 세라믹스 기판을 접합하고, 각 절연 회로 기판을 제조하였다. 가열 온도, 가열 시간 및 분위기는 표 1 에 기재된 바와 같이 하였다. 그리고, 얻어진 각 절연 회로 기판의 금속층에, Al-Si 계 브레이징재를 사용하여, 히트 싱크 (A6063, 50 ㎜ × 60 ㎜ × 두께 5 ㎜) 를 접합하였다. 접합은, 적층 방향의 하중 : 3.0 kgf/㎠, 진공 중, 가열 온도 610 ℃ 로 하였다.
얻어진 절연 회로 기판에 대하여, 접합층의 유무, 접합층 내의 Mg 농도, 계면의 Cu 및 Fe 농도, 접합률 (초기 및 냉열 사이클 후) 을 측정하였다.
(접합층의 확인 방법, 접합층 및 계면의 각 원소 농도의 측정 방법)
절연 회로 기판을 적층 방향 (두께 방향) 으로 기계 절단하고, 얻어진 단면을 두께 약 50 ㎛ 까지 기계 연마하여, 단면 시료로 한다. 그 후, 접합 계면 부근에 4 ㎸ 의 아르곤 이온을 상하 (적층 방향과 수직인 면) 로부터 4 도의 각도로 입사시키고, 스퍼터링에 의해 단면 시료에 구멍이 뚫릴 때까지 박편화한다. 구멍의 가장자리가 에지상이 되어 전자선이 투과 가능한 두께 0.1 ㎛ 정도가 되기 때문에, 이 부분을 TEM (투과형 전자 현미경) 및 EDS (에너지 분산형 X 선 분광기) 로 관찰하고, 접합층의 유무를 판정함과 함께, 접합층 및 계면의 각 원소 농도를 측정하였다. TEM 및 EDS 에 의한 측정을, FEI 사 제조 Titan ChemiSTEM (EDS 검출기 부착) 을 사용하고, 가속 전압 : 200 ㎸, 배율 : 45 만 ∼ 91 만배로 실시하였다. 접합층은 계면 근방의 매핑에 있어서 Mg, Si, Al, O, N 이 겹쳐지는 영역을 접합층이라고 판단하였다. Mg, Si, Al, O, N 이 겹쳐지는 영역이 없는 경우에는, 접합층이 없다고 판단하였다. 이와 같이 특정된 접합층에 대해, EDS (빔 직경 1 ㎚) 에 의해, 접합층에 있어서의 Mg 농도를 얻었다.
Cu 및 Fe 에 대해서는, 절연 회로 기판의 접합 계면의 단면을 EPMA (니혼 덴시 주식회사 제조 JXA-8539F, 배율 1000 배) 를 사용하여 관찰하고, 세라믹스 기판 (질화규소 기판) 의 표면으로부터 회로층 (Al 판) 측으로 10 ㎛ 이간된 위치에 있어서의 농도를 측정하였다. 측정은 5 지점 실시하고, 그 평균값을 Cu 농도, Fe 농도로 하였다. 또한, 세라믹스 기판의 표면으로부터 회로층 측으로 10 ㎛ 이간된 위치를 특정할 때, 상기 단면에 있어서 세라믹스 기판 측으로부터 회로층 측으로 두께 방향에 라인 분석을 실시하여, Al 농도가 처음으로 90 질량％ 이상이 된 위치를 세라믹스 기판 (질화규소 기판) 의 표면이라고 판단하였다.
(접합률의 평가)
냉열 충격 시험기 (에스펙 주식회사 제조 TSB-51) 를 사용하고, 절연 회로 기판에 대하여, 액상 (플루오리너트) 으로, －40 ℃ × 5 분 및 150 ℃ × 5 분의 사이클을 1 사이클로 하여, 2000 사이클을 실시하였다.
이 후에, 회로층과 세라믹스 기판의 접합률을 이하와 같이 하여 평가하였다. 또한, 접합률의 평가는, 냉열 사이클 시험 전 (초기 접합률) 과 냉열 사이클 시험 후 (냉열 사이클 후 접합률) 에 실시하였다.
접합률의 평가는, 절연 회로 기판에 대하여, 세라믹스 기판과 금속층의 계면의 접합률에 대해 초음파 탐상 장치 (주식회사 히타치 파워 솔루션즈 제조 FineSAT200) 를 사용하여 평가하고, 이하의 식으로부터 접합률을 산출하였다.
여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적이며, 본 실시예에서는 금속층의 면적 (37 ㎜ × 37 ㎜) 으로 하였다.
(접합률) ＝ {(초기 접합 면적) － (박리 면적)}/(초기 접합 면적)
초음파 탐상 이미지를 2 치화 처리한 화상에 있어서 박리는 접합부 내의 백색부에서 나타나기 때문에, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 하였다.
이들의 결과를 표 1 에 기재하였다.
Figure pct00001
표 1 의 결과로부터, 접합층이 형성되고, 접합층의 마그네슘의 농도가 3 at％ ∼ 8 at％ 의 범위 내로 된 실험예 1 ∼ 실험예 10 에서는, 초기의 접합률이 높고, 냉열 사이클 후의 접합률도 높은 상태이며, 접합 신뢰성이 높은, 절연 회로 기판 (세라믹스/알루미늄 접합체) 이 얻어지는 것을 알았다. 한편, 접합층이 형성되지 않았던 실험예 12 에서는, 냉열 사이클 후의 접합률이 대폭적으로 저하되었다. 또, 접합층의 마그네슘 농도가 8 at％ 를 초과한 실험예 11 에서는, 냉열 사이클 후의 접합률이, 실험예 1 ∼ 실험예 10 과 비교하면, 약간 낮아졌다.
(실시예 2)
질화규소 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜ × 두께 0.32 ㎜) 을, 질화규소 기판 (Si3N4 기판) 표면의 Mg 농도가 표 2 에 기재된 바와 같이 되도록 상기 서술한 실시형태에 기재된 방법에 의해 제조하였다. 또한, 질화규소 기판 표면의 Mg 농도는, 실시예 1 과 동일한 방법으로 측정하였다.
얻어진 각 질화규소 기판의 일방의 면에 회로층이 되는 Al 판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.6 ㎜) 을, 타방의 면에 금속층이 되는 Al 판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 1.6 ㎜) 을 브레이징재 박을 개재하여 적층하였다. 여기서, 회로층 및 금속층이 되는 Al 판으로는, Cu : 0.01 mass％, Fe : 0.02 mass％, Al : 잔부를 사용하였다. 또, 브레이징재 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.010 ㎜) 의 조성을 Al-7.5 mass％ Si 로 하고, Mg 를 함유하지 않는 브레이징재를 사용하였다.
그리고, 적층 방향으로 5 kgf/㎠ 로 가압하면서 가열함으로써, Al 판과 세라믹스 기판을 접합하고, 각 절연 회로 기판을 제조하였다. 가열 온도, 가열 시간 및 분위기는 표 2 에 기재된 바와 같이 하였다.
얻어진 각 절연 회로 기판의 금속층에, Al-Si 계 브레이징재를 사용하여, 히트 싱크 (A6063, 50 ㎜ × 60 ㎜ × 두께 5 ㎜) 를 접합하였다. 히트 싱크의 접합 조건은, 적층 방향의 하중 : 3.0 kgf/㎠, 진공 중, 가열 온도 610 ℃ 로 하였다.
얻어진 절연 회로 기판에 대하여, 질화알루미늄층의 두께, 접합층 내의 Mg 농도, 접합률 (초기 및 냉열 사이클 후) 을 측정하였다.
여기서, 질화알루미늄층의 두께는, 질화규소 기판과 금속층의 접합 계면의 단면을 투과형 전자 현미경 (FEI 사 제조 Titan ChemiSTEM) 을 사용한 라인 분석으로부터, Al, Si, O, N, Mg 를 합하여 100 at％ 로 했을 때, Al : 15 at％ ∼ 60 at％, 또한, N : 30 at％ ∼ 80 at％ 의 영역을 질화알루미늄층으로 하고, 그 두께를 측정하였다. 예를 들어, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 선 A 와 선 B 사이의 영역이 질화알루미늄층이 된다. 여기서, 도 5 의 세로축은 선 분석에 있어서 Al, Si, O, N, Mg 를 합하여 100 at％ 로 했을 때의 Al 또는 N 의 함유량 (at％) 이고, 가로축은 두께 방향의 위치 (㎚) 이다.
또한, 접합층 내의 Mg 농도, 접합률 (초기 및 냉열 사이클 후) 은, 실시예 1 에서 설명한 방법으로 평가하였다.
Figure pct00002
표 2 의 결과로부터, 질화알루미늄층의 두께가 4 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내인 경우에는, 접합 신뢰성이 더욱 향상되는 것이 확인되었다. 또한, 질화알루미늄층의 두께가 15.8 ㎚ 이상 76.9 ㎚ 이하의 범위 내인 경우에는, 접합 신뢰성이 더욱 향상되는 것이 확인되었다.
산업상 이용가능성
본 발명의 세라믹스/알루미늄 접합체 및 절연 회로 기판에서는, 세라믹스 부재와 알루미늄 부재가 높은 접합 신뢰성을 유지하여 접합되어 있기 때문에, 파워 모듈, LED 모듈 및 열전 모듈에 바람직하다.
10 : 절연 회로 기판 (세라믹스/알루미늄 접합체)
11 : 세라믹스 기판 (세라믹스 부재)
12 : 회로층 (알루미늄판, 알루미늄 부재)
13 : 금속층 (알루미늄판, 알루미늄 부재)
14 : 냉각기
21 : 접합층
22 : 질화알루미늄층
24 : 반도체 소자
30 : 파워 모듈

Claims (9)

  1. 세라믹스 부재와, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄 부재가 접합되어 이루어지는 세라믹스/알루미늄 접합체로서,
    상기 세라믹스 부재는, 마그네슘을 포함하는 질화규소로 구성되어 있고,
    상기 세라믹스 부재와 상기 알루미늄 부재의 접합 계면에는, 알루미늄, 규소, 산소, 및 질소의 화합물에 마그네슘이 포함된 접합층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹스/알루미늄 접합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 접합층의 조성 비율은, 규소가 10 at％ ∼ 18 at％, 산소가 20 at％ ∼ 35 at％, 질소가 25 at％ ∼ 40 at％, 마그네슘이 3 at％ ∼ 8 at％, 잔부가 알루미늄인 것을 특징으로 하는 세라믹스/알루미늄 접합체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 세라믹스 부재의 표면으로부터 상기 알루미늄 부재 측으로 10 ㎛ 이간된 위치에 있어서, 구리가 1.2 mass％ 이하 또한 철이 0.6 mass％ 이하인 것을 특징으로 하는 세라믹스/알루미늄 접합체.
  4. 세라믹스 기판과, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판이 접합되어 이루어지는 절연 회로 기판으로서,
    상기 세라믹스 기판은, 마그네슘을 포함하는 질화규소로 구성되어 있고,
    상기 세라믹스 기판과 상기 알루미늄판의 접합 계면에는, 알루미늄, 규소, 산소, 및 질소의 화합물에 마그네슘이 포함된 접합층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 접합층의 조성 비율은, 규소가 10 at％ ∼ 18 at％, 산소가 20 at％ ∼ 35 at％, 질소가 25 at％ ∼ 40 at％, 마그네슘이 3 at％ ∼ 8 at％, 잔부가 알루미늄인 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판의 표면으로부터 상기 알루미늄판 측으로 10 ㎛ 이간된 위치에 있어서, 구리가 1.2 mass％ 이하 또한 철이 0.6 mass％ 이하인 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 절연 회로 기판과, 이 절연 회로 기판에 탑재된 파워 반도체 소자를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  8. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 절연 회로 기판과, 이 절연 회로 기판에 탑재된 LED 소자를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 LED 모듈.
  9. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 절연 회로 기판과, 이 절연 회로 기판에 탑재된 열전 소자를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
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