KR20180104660A - 접합체, 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 접합체의 제조 방법 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법 - Google Patents

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KR20180104660A
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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 부재의 접합체로서, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 사이에 형성된 접합층에 있어서, 세라믹스 부재의 접합면으로부터 Cu 부재측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있다.

Description

접합체, 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 접합체의 제조 방법 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법
이 발명은, 세라믹스 부재와 Cu 부재가 접합된 접합체, 및 세라믹스 기판에 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 판이 접합된 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈용 기판을 구비한 파워 모듈, 접합체의 제조 방법 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은, 2016 년 1 월 22 일에, 일본에 출원된 일본 특허출원 2016-010676호, 및 2017 년 1 월 5 일에, 일본에 출원된 일본 특허출원 2017-000417호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
LED 나 파워 모듈 등의 반도체 장치에 있어서는, 도전 재료로 이루어지는 회로층 위에 반도체 소자가 접합된 구조를 구비하고 있다.
풍력 발전, 전기 자동차 등의 전기 차량 등을 제어하기 위해서 사용되는 대전력 제어용의 파워 반도체 소자에 있어서는, 발열량이 많은 점에서, 이것을 탑재하는 기판으로서는, 예를 들어 AlN (질화알루미늄) 등으로 이루어지는 세라믹스 기판의 일방의 면에 도전성이 우수한 금속판을 회로층으로서 접합한 파워 모듈용 기판이, 종래부터 널리 사용되고 있다. 또, 세라믹스 기판의 타방의 면에, 금속판을 금속층으로서 접합하는 경우도 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에 나타내는 파워 모듈용 기판에 있어서는, 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) 의 일방의 면에, Cu 판 (Cu 부재) 을 접합함으로써 회로층이 형성된 구조를 구비하고 있다. 이 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판의 일방의 면에, Cu-Mg-Ti 브레이징재를 개재시켜 Cu 판을 배치하고, 가열 처리를 실시함으로써 Cu 판이 접합되어 있다.
그런데, 특허문헌 1 에 개시된 바와 같이 Cu-Mg-Ti 브레이징재를 개재하여 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합하면, 세라믹스 기판의 근방에는, Cu, Mg, 또는 Ti 를 포함하는 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 생기기 쉬워지는 문제가 있었다.
또, 세라믹스 기판과 회로층을 접합할 때에, 세라믹스 기판의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되면, 세라믹스 기판과 회로층의 접합율이 저하되어, 양호하게 접합할 수 없는 우려가 있었다.
그래서, 예를 들어 특허문헌 2-4 에는, 세라믹스 기판과 회로층을, Cu-P 계 브레이징재 및 활성 원소를 사용하여 접합한 파워 모듈용 기판이 제안되어 있다.
이들 특허문헌 2-4 에 기재된 발명에 있어서는, Cu-P 계 브레이징재 중의 P 가 활성 원소와 반응함으로써, 세라믹스 기판측에 Cu 층이 형성되고, 세라믹스 기판의 근방에 단단한 금속간 화합물층이 배치 형성되지 않는다. 이로써, 냉열 사이클을 부하했을 때에 세라믹스 기판에 생기는 열응력을 저감할 수 있어, 세라믹스 기판에 크랙이 발생하는 것을 억제하는 것이 가능해진다.
특허공보 제4375730호 일본 공개특허공보 2015-043392호 일본 공개특허공보 2015-065423호 일본 공개특허공보 2015-043393호
그런데, 최근에는, 파워 모듈용 기판에 탑재되는 반도체 소자의 발열 온도가 높아지는 경향이 있고, 이것이 탑재되는 파워 모듈용 기판에 있어서는, 종래보다 고온 (예를 들어 200 ℃ 이상) 에까지 도달하는 냉열 사이클이 부하된다.
여기서, 특허문헌 2-4 에 기재된 바와 같이, Cu-P 계 브레이징재를 사용하여 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합한 파워 모듈용 기판에 있어서는, 고온에까지 도달하는 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 부분 방전이 발생하기 쉬워진다는 문제가 있었다.
이 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 세라믹스 부재와 Cu 부재가 양호하게 접합되고, 또한, 비교적 고온에까지 도달하는 냉열 사이클을 부하한 경우여도 부분 방전의 발생을 억제하는 것이 가능한 접합체, 이 접합체로 이루어지는 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 및, 이 접합체의 제조 방법, 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명자들 예의 검토한 결과, Cu-P 계 브레이징재를 사용하여 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합한 파워 모듈용 기판에 있어서는, 세라믹스 기판과 Cu 판의 사이에 형성된 접합층 내에 무른 Cu3P 상이 형성되는 경우가 있고, 비교적 고온에까지 도달하는 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 취약한 Cu3P 상에 크랙이 생겨 공극이 형성됨으로써, 부분 방전이 발생하기 쉬워진다는 지견을 얻었다. 또, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, Cu3P 상에 크랙이 생겨 Cu3P 상과 접합층 내의 Cu-Sn 층의 사이에 공극이 형성되어, 부분 방전이 발생하기 쉬워진다는 지견도 얻었다. 또한, Cu-Sn 층이란, Sn 을 포함하는 Cu-P 계 브레이징재를 사용했을 때에, Cu-P 계 브레이징재에 포함되는 P 가, 다른 원소 (예를 들어 Ti 재의 Ti) 와 반응하여 소비됨으로써 형성되는 층이다.
본 발명은, 상기 서술한 지견에 기초하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 일 양태인 접합체는, 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재의 접합체로서, 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재의 사이에 형성된 접합층에 있어서, 상기 세라믹스 부재의 접합면으로부터 상기 Cu 부재측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 일 양태인 접합체에 의하면, 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재의 사이에 형성된 접합층에 있어서, 상기 세라믹스 부재의 접합면으로부터 상기 Cu 부재측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 이하로 제한되어 있으므로, 비교적 고온에까지 도달하는 냉열 사이클이 부하되었을 경우여도, Cu3P 상을 기인으로 하는 부분 방전의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판은, 상기 서술한 접합체로 이루어지고, 상기 세라믹스 부재로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 형성된 상기 Cu 부재로 이루어지는 회로층을 구비하고, 상기 세라믹스 기판과 상기 회로층의 사이에 형성된 접합층에 있어서, 상기 세라믹스 기판의 접합면으로부터 상기 회로층측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15％ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판에 의하면, 상기 세라믹스 기판과 상기 회로층의 사이에 형성된 접합층에 있어서, 상기 세라믹스 기판의 접합면으로부터 상기 회로층측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있으므로, 비교적 고온에까지 도달하는 냉열 사이클이 부하되었을 경우여도, 회로층측에 있어서 Cu3P 상을 기인으로 하는 부분 방전의 발생을 억제할 수 있어, 신뢰성이 우수하다.
여기서, 상기 서술한 본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에, Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 금속층이 형성되어 있어도 된다.
이 경우, 세라믹스 기판의 타방의 면에, 비교적 변형 저항이 작은 Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 금속층이 형성되어 있으므로, 파워 모듈용 기판에 응력이 부하되었을 경우에 금속층이 우선적으로 변형되어, 세라믹스 기판에 작용하는 응력을 저감할 수 있어, 세라믹스 기판의 균열을 억제할 수 있다.
또, 본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판은, 상기 서술한 접합체로 이루어지고, 상기 세라믹스 부재로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 형성된 상기 Cu 부재로 이루어지는 금속층을 구비하고, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속층의 사이에 형성된 접합층에 있어서, 상기 세라믹스 기판의 접합면으로부터 상기 금속층측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판에 의하면, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속층의 사이에 형성된 접합층에 있어서, 상기 세라믹스 기판의 접합면으로부터 상기 금속층측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있으므로, 비교적 고온에까지 도달하는 냉열 사이클이 부하되었을 경우여도, 금속층측에 있어서 Cu3P 상을 기인으로 하는 부분 방전의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 일 양태인 파워 모듈은, 상기 서술한 파워 모듈용 기판과, 상기 파워 모듈용 기판의 상기 회로층 상에 탑재된 반도체 소자를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 파워 모듈에 의하면, 부분 방전의 발생이 억제된 파워 모듈용 기판을 구비하고 있으므로, 비교적 고온에까지 도달하는 냉열 사이클이 부하되는 사용 환경하에 있어서도 신뢰성이 우수하다.
본 발명의 일 양태인 접합체의 제조 방법은, 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재의 접합체의 제조 방법으로서, Cu-P 계 브레이징재와 Ti 재를 개재하여 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재를 적층하는 적층 공정과, 상기 Cu-P 계 브레이징재의 용융 개시 온도 이상의 온도에서 가열하여 액상을 생성시키는 가열 처리 공정을 구비하고, 상기 적층 공정에 있어서는, 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가, 0.1 이상 0.8 이하의 범위 내가 되도록, 상기 Cu-P 계 브레이징재 및 상기 Ti 재를 배치하고, 상기 가열 처리 공정에 있어서는, 승온 속도를 5 ℃／min 이상 30 ℃／min 이하의 범위 내로 하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 접합체의 제조 방법에 의하면, Cu-P 계 브레이징재와 Ti 재를 개재하여 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재를 적층하는 적층 공정에 있어서, 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가, 0.1 이상 0.8 이하의 범위 내가 되도록, 상기 Cu-P 계 브레이징재 및 상기 Ti 재를 배치하고 있으므로, P 와 반응하는 Ti 량이 확보되어, Cu3P 상의 형성을 억제할 수 있다. 여기서, P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 0.1 미만의 경우, P 와 반응하는 Ti 의 양이 감소하기 때문에, Cu3P 상의 생성을 억제할 수 없다. 또, P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 0.8 을 초과한 경우, 가열했을 때에 생성되는 브레이징재의 액상에 Ti 가 많이 용해되기 때문에, 액상의 융점이 상승하여 응고가 진행되기 쉬워진다. 그 결과, Ti 와 미반응의 P 가 잔류하게 되어, Cu3P 상이 많이 형성된다.
또, 상기 Cu-P 계 브레이징재의 용융 개시 온도 이상의 온도에서 가열하여 액상을 생성시키는 가열 처리 공정에 있어서의 승온 속도를 5 ℃／min 이상으로 하고 있으므로, Ti 가 P 이외의 원소와 반응하여 소비되는 것이 억제되고, P 가 Ti 와 반응하게 되어, Cu3P 상의 형성을 억제할 수 있다. 또, 가열 처리 공정에 있어서의 승온 속도를 30 ℃／min 이하로 하고 있으므로, 필요 이상으로 빠르게 Ti 의 액상으로의 확산이 일어나지 않고, 액상이 응고되기 어려워져, Cu3P 상의 생성을 억제할 수 있다.
본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 세라믹스 기판의 일방의 면에 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 회로층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 세라믹스 기판과 상기 회로층을, 상기 서술한 접합체의 제조 방법에 의해 접합하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 기판과 회로층의 사이에 무른 Cu3P 상이 형성되는 것이 억제된다. 따라서, 비교적 고온에까지 도달하는 냉열 사이클을 부하했을 경우여도, 부분 방전의 발생을 억제하는 것이 가능한 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층이 배치 형성되고, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속층을, 상기 서술한 접합체의 제조 방법에 의해 접합하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 기판과 금속층의 사이에 무른 Cu3P 상이 형성되는 것이 억제된다. 따라서, 비교적 고온에까지 도달하는 냉열 사이클을 부하했을 경우여도, 부분 방전의 발생을 억제하는 것이 가능한 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 세라믹스 기판의 일방의 면에 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 회로층이 배치 형성되고, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 세라믹스 기판과 상기 회로층을, 상기 서술한 접합체의 제조 방법에 의해 접합하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 기판과 회로층의 사이에 무른 Cu3P 상이 형성되는 것이 억제된다. 따라서, 비교적 고온에까지 도달하는 냉열 사이클을 부하했을 경우여도, 회로층측에 있어서 Cu3P 상을 기인으로 하는 부분 방전의 발생을 억제하는 것이 가능한 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.
또, 비교적 저온에서 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 회로층과 세라믹스 기판을 접합할 수 있으므로, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 회로층과 세라믹스 기판과, Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 금속층을 동시에 접합하는 것도 가능해진다.
본 발명에 의하면, 세라믹스 부재와 Cu 부재가 양호하게 접합되고, 또한, 비교적 고온에까지 도달하는 냉열 사이클을 부하했을 경우여도 부분 방전의 발생을 억제하는 것이 가능한 접합체, 이 접합체로 이루어지는 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 및, 이 접합체의 제조 방법, 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 제 1 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는, 본 발명의 제 1 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 3 은, 도 2 에 나타내는 파워 모듈용 기판의 회로층과 세라믹스 기판의 사이의 접합층의 단면 관찰 사진이다.
도 4 는, 본 발명의 제 1 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 5 는, 본 발명의 제 1 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 6 은, 본 발명의 제 2 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 7 은, 본 발명의 제 2 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 8 은, 도 7 에 나타내는 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층과 세라믹스 기판의 접합 계면에 있어서의 단면의 개략도이다.
도 9 는, 본 발명의 제 2 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 10 은, 본 발명의 제 2 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 11 은, 본 발명의 제 3 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 12 는, 본 발명의 제 3 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 13 은, 도 12 에 나타내는 파워 모듈용 기판의 회로층과 세라믹스 기판의 접합 계면에 있어서의 단면의 개략도이다.
도 14 는, 본 발명의 제 3 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 15 는, 본 발명의 제 3 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
(제 1 실시 형태)
이하에, 본 발명의 실시 형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 먼저, 본 발명의 제 1 실시 형태에 대해 설명한다.
본 실시 형태에 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 실시 형태인 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 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 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 실시 형태에서는, 방열성이 우수한 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 mm 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시 형태에서는, 0.635 mm 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에, 도전성을 갖는 Cu 또는 Cu 합금의 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다.
본 실시 형태에 있어서, 회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 Cu-P 계 브레이징재 (24), Ti 재 (25), 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (22) 을 적층하여 가열 처리하고, 세라믹스 기판 (11) 에 Cu 판 (22) 을 접합함으로써 형성되어 있다 (도 5 참조). 또한, 본 실시 형태에서는, Cu-P 계 브레이징재 (24) 로서 Cu-P-Sn-Ni 브레이징재를 사용하고 있다.
여기서, 회로층 (12) 에 있어서 세라믹스 기판 (11) 측은, Sn 이 Cu 중에 고용된 구조가 되어 있다.
또한, 회로층 (12) 의 두께는 0.1 mm 이상 1.0 mm 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시 형태에서는, 0.2 mm 로 설정되어 있다.
도 3 에, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 사이에 형성된 접합층 (18) 의 단면 개략 설명도를 나타낸다.
세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 사이의 접합층 (18) 중 세라믹스 기판 (11) 의 접합면 근방에 Cu-Sn 층 (14) 이 형성되어 있고, 이 Cu-Sn 층 (14) 의 회로층 (12) 측에는, Ti 를 포함하는 Ti 함유층 (15) 이 형성되어 있다.
Cu-Sn 층 (14) 은, Sn 이 Cu 중에 고용된 층이다. 이 Cu-Sn 층 (14) 은, Cu-P 계 브레이징재 (24) 에 포함되는 P 가 Ti 재 (25) 의 Ti 와 반응하여 소비됨으로써 형성되는 층이다.
Ti 함유층 (15) 으로서는, 예를 들어, P-Ti 계 금속간 화합물층, Ti 층, Cu-Ti 금속간 화합물층 등을 들 수 있다. 또한, Ti 재 (25) 에 있어서의 Ti 량이나 접합 조건 등에 의해, Ti 함유층 (15) 의 구성은 상이하다.
여기서, Cu-Sn 층 (14) 내에는, Cu3P 상 (16) 이 분산되어 있고, 이 Cu3P 상 (16) 은, Ti 재 (25) 의 Ti 와 반응하지 않고 잔존한 Cu-P 계 브레이징재 (24) 에 포함되는 P 가 Cu 와 반응함으로써 생성된다.
그리고, 본 실시 형태에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 사이에 형성된 접합층 (18) 에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면으로부터 회로층 (12) 측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있다.
반도체 소자 (3) 는, Si 등의 반도체 재료로 구성되어 있다. 이 반도체 소자 (3) 와 회로층 (12) 은, 땜납층 (2) 을 개재하여 접합되어 있다.
땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 되어 있다.
이하에, 본 실시 형태에 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 면 (도 5 에 있어서 상면) 에, Cu-P 계 브레이징재 (24), Ti 재 (25), 및 회로층 (12) 이 되는 Cu 판 (22) 을 순서대로 적층한다 (적층 공정 S01).
이 적층 공정 S01 에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 0.1 이상 0.8 이하의 범위 내가 되도록, Cu-P 계 브레이징재 (24) 및 Ti 재 (25) 를 배치한다. 구체적으로는, Cu-P 계 브레이징재 (24) 의 P 의 함유량 및 Ti 재 (25) 의 순도를 고려하여, Cu-P 계 브레이징재 (24) 의 두께와 Ti 재 (25) 의 두께를 조정함으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕를 조정한다.
여기서, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 0.1 미만의 경우에는, P 와 반응하는 Ti 량이 불충분해져, Cu3P 상 (16) 이 많이 형성되고, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면으로부터 회로층 (12) 측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률을 15 ％ 이하로 할 수 없는 우려가 있다.
한편, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 0.8 을 초과하는 경우에는, 가열했을 때에 생성되는 브레이징재의 액상에 Ti 가 많이 용해되기 때문에, 액상의 융점이 상승하여 응고가 진행되기 쉬워진다. 그 결과, Ti 와 미반응의 P 가 잔류하게 되어, Cu3P 상 (16) 이 많이 형성된다.
그래서, 본 실시 형태에서는, 적층 공정 S01 에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕를 0.1 이상 0.8 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
또한, Cu3P 상 (16) 의 생성을 한층 더 억제하기 위해서는, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕의 하한을 0.15 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.2 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또, Cu3P 상 (16) 의 생성을 한층 더 억제하기 위해서는, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕의 상한을 0.7 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.6 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또, Ti 재 (25) 는, 두께가 0.1 ㎛ 이상 1 ㎛ 미만의 경우에는 증착이나 스퍼터에 의해 성막하는 것이 바람직하고, 두께가 1 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 경우에는 박재를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, Ti 재 (25) 의 두께의 하한은 0.2 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.4 ㎛ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또, Ti 재 (25) 의 두께의 상한은 3 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 1.5 ㎛ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11), Cu-P 계 브레이징재 (24), Ti 재 (25), 및 Cu 판 (22) 을 적층 방향으로 가압 (압력 1 kgf/㎠ 이상 35 kgf/㎠ 이하) 한 상태로 진공 가열로 내에 장입하고, Cu-P 계 브레이징재 (24) 의 용융 개시 온도 이상의 온도로까지 가열한다 (가열 처리 공정 S02). 여기서, 본 실시 형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도는 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간은 30 분 이상 240 분 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
이 가열 처리 공정 S02 에 있어서는, 상기 서술한 가열 온도까지의 승온 속도를 5 ℃／min 이상 30 ℃／min 이하의 범위 내로 하고 있다.
여기서, 상기 서술한 가열 온도까지의 승온 속도가 5 ℃／min 미만의 경우에는, 승온 과정에 있어서 Ti 가 P 이외의 원소와 반응하여 소비되어 버려, P 와 반응하는 Ti 량이 불충분해져, Cu3P 상 (16) 이 많이 형성되고, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면으로부터 회로층 (12) 측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률을 15 ％ 이하로 할 수 없는 우려가 있다.
한편, 상기 서술한 가열 온도까지의 승온 속도가 30 ℃／min 을 초과하는 경우에는, Ti 의 브레이징재의 액상으로의 확산이 빨라지는 점에서, 액상의 응고도 빨라져, 미반응의 P 가 많이 잔류하고, Cu3P 상 (16) 이 많이 형성된다.
그래서, 본 실시 형태에서는, 상기 서술한 가열 온도까지의 승온 속도를 5 ℃／min 이상 30 ℃／min 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
또한, Cu3P 상 (16) 의 생성을 한층 더 억제하기 위해서는, 상기 서술한 가열 온도까지의 승온 속도의 하한을 7 ℃／min 이상으로 하는 것이 바람직하고, 10 ℃／min 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또, Cu3P 상 (16) 의 생성을 한층 더 억제하기 위해서는, 상기 서술한 가열 온도까지의 승온 속도의 상한을 25 ℃／min 이하로 하는 것이 바람직하고, 20 ℃／min 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
이 가열 처리 공정 S02 에 있어서는, Cu-P 계 브레이징재 (24) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상에 Ti 재 (25) 가 용해되어, 액상이 응고함으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 이 접합된다. 이 때, Cu-P 계 브레이징재 (24) 중에 포함되는 P 는, Ti 재 (25) 의 Ti 와 결합하게 되어, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면측에는 Cu-Sn 층 (14) 이 형성된다.
이로써, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 회로층 (12) 이 형성되어 본 실시 형태인 파워 모듈용 기판 (10) 이 제조된다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (10) 의 회로층 (12) 의 상면에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S03).
이와 같이 하여, 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈 (1) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (10) 에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 사이에 형성된 접합층 (18) 에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면으로부터 회로층 (12) 측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상 (16) 의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있으므로, 접합층 (18) 내에 있어서 무른 Cu3P 상 (16) 이 차지하는 면적이 적고, 예를 들어 200 ℃ 이상과 같은 비교적 고온에까지 도달하는 냉열 사이클이 부하되었을 경우여도, 회로층 (12) 측에 있어서의 Cu3P 상 (16) 에서 기인하는 부분 방전의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (10) 은, 고온 환경하에서 사용했을 때의 신뢰성이 우수하다.
또, 본 실시 형태에서는, Cu-P 계 브레이징재 (24) 와 Ti 재 (25) 를 개재하여 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 이 되는 Cu 판 (22) 을 적층하는 적층 공정 S01 에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 0.1 이상 0.8 이하의 범위 내가 되도록, Cu-P 계 브레이징재 (24) 및 Ti 재 (25) 를 배치하고 있으므로, P 와 반응하는 Ti 량이 확보되고, 또한, 미반응의 P 가 저감되어 있으므로, Cu3P 상 (16) 의 형성을 억제할 수 있다. 따라서, 부분 방전의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 가열 처리 공정 S02 에 있어서의 가열 온도까지의 승온 속도를 5 ℃／min 이상 30 ℃／min 이하로 하고 있으므로, Cu3P 상 (16) 의 형성을 억제할 수 있다. 따라서, 부분 방전의 발생을 억제할 수 있다.
또, 가열 처리 공정 S02 에 있어서, 가압되는 압력을 1 kgf/㎠ 이상으로 하고 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu-P 계 브레이징재 (24) 의 액상을 밀착시킬 수 있어 세라믹스 기판 (11) 과 Cu-Sn 층 (14) 을 양호하게 접합할 수 있다. 또, 가압되는 압력을 35 kgf/㎠ 이하로 하고 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
(제 2 실시 형태)
다음으로, 본 발명의 제 2 실시 형태에 대해 설명한다. 또한, 제 1 실시 형태와 동일한 구성인 것에 대해서는, 동일한 부호를 부여하여 기재하고, 상세한 설명을 생략한다.
도 6 에, 제 2 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (110) 을 구비한 파워 모듈 (101) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (101) 은, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (110) 과, 회로층 (112) 의 일방의 면 (도 6 에 있어서 상면) 에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 금속층 (113) 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 면 (도 7 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (112) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 7 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (113) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 제 1 실시 형태와 마찬가지로, 방열성이 우수한 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다.
회로층 (112) 은, 제 1 실시 형태와 마찬가지로, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 Cu-P 계 브레이징재 (124), Ti 재 (25), 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (122) 을 순서대로 적층하여 가열 처리하고, 세라믹스 기판 (11) 에 Cu 판 (122) 을 접합함으로써 형성되어 있다 (도 10 참조).
또한, 회로층 (112) 의 두께는 0.1 mm 이상 1.0 mm 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시 형태에서는, 0.2 mm 로 설정되어 있다.
금속층 (113) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에, Cu 또는 Cu 합금의 금속판이, Cu-P 계 브레이징재 (124) 를 개재하여 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시 형태에 있어서, 금속층 (113) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 Cu-P 계 브레이징재 (124), Ti 재 (25), 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (123) 을 적층하여 가열 처리하고, 세라믹스 기판 (11) 에 Cu 판 (123) 을 접합함으로써 형성되어 있다 (도 10 참조).
이 금속층 (113) 의 두께는 0.1 mm 이상 1.0 mm 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시 형태에서는, 0.15 mm 로 설정되어 있다.
여기서, 본 실시 형태에서는, Cu-P 계 브레이징재 (124) 로서 구체적으로는 Cu-P-Sn-Ni 브레이징재를 사용하고 있다.
도 8 에, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 사이의 접합층 (118) 의 단면 개략 설명도를 나타낸다.
세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 사이의 접합층 (118) 중 세라믹스 기판 (11) 의 접합면 근방에 Cu-Sn 층 (14) 이 형성되어 있고, 이 Cu-Sn 층 (14) 의 회로층 (112) 측 및 금속층 (113) 측에는, Ti 를 포함하는 Ti 함유층 (15) 이 형성되어 있다.
여기서, Cu-Sn 층 (14) 내에는, Cu3P 상 (16) 이 분산되어 있고, 이 Cu3P 상 (16) 은, Ti 재 (25) 의 Ti 와 반응하지 않고 잔존한 P 가 Cu 와 반응함으로써 생성된다.
그리고, 본 실시 형태에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 사이에 형성된 접합층 (118) 에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면으로부터 회로층 (112) 및 금속층 (113) 측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있다.
히트 싱크 (130) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (110) 으로부터의 열을 방산 한다. 이 히트 싱크 (130) 는, Cu 또는 Cu 합금으로 구성되어 있고, 본 실시 형태에서는 무산소동으로 구성되어 있다. 이 히트 싱크 (130) 에는, 냉각용의 유체가 흐르기 위한 유로 (131) 가 형성되어 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 히트 싱크 (130) 와 금속층 (113) 이, 땜납재로 이루어지는 땜납층 (132) 에 의해 접합되어 있다.
이하에, 본 실시 형태에 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 일방의 면 (도 10 에 있어서 상면) 에, Cu-P 계 브레이징재 (124), Ti 재 (25), 및 회로층 (112) 이 되는 Cu 판 (122) 을 순서대로 적층함과 함께, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 10 에 있어서 하면) 에, Cu-P 계 브레이징재 (124), Ti 재 (25), 및 금속층 (113) 이 되는 Cu 판 (123) 을 순서대로 적층한다 (적층 공정 S101).
이 적층 공정 S101 에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (122, 123) 의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 0.1 이상 0.8 이하의 범위 내가 되도록, Cu-P 계 브레이징재 (124) 및 Ti 재 (25) 를 배치하고 있다. 구체적으로는, Cu-P 계 브레이징재 (124) 의 P 의 함유량 및 Ti 재 (25) 의 순도를 고려하여, Cu-P 계 브레이징재 (124) 의 두께와 Ti 재 (25) 의 두께를 조정함으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕를 조정한다.
다음으로, Cu 판 (122), Ti 재 (25), Cu-P 계 브레이징재 (124), 세라믹스 기판 (11), Cu-P 계 브레이징재 (124), Ti 재 (25), 및 Cu 판 (123) 을, 적층 방향으로 가압 (압력 1 kgf/㎠ 이상 35 kgf/㎠ 이하) 한 상태로, 진공 가열로 내에 장입하고, Cu-P 계 브레이징재 (124) 의 용융 개시 온도 이상의 온도로까지 가열한다 (가열 처리 공정 S102).
이 가열 처리 공정 S102 에 있어서는, 상기 서술한 가열 온도까지의 승온 속도를 5 ℃／min 이상 30 ℃／min 이하의 범위 내로 하고 있다.
이 가열 처리 공정 S102 에 있어서는, Cu-P 계 브레이징재 (124) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상에 Ti 재 (25) 가 용해되어, 액상이 응고됨으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (122) 및 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (123) 이 접합된다. 이 때, Cu-P 계 브레이징재 (124) 중에 포함되는 P 는, Ti 재 (25) 의 Ti 와 결합하고, 세라믹스 기판 (11) 측에는 Cu-Sn 층 (14) 이 형성된다.
이로써, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 회로층 (112) 이 형성됨과 함께, 타방의 면에 금속층 (113) 이 형성되어 본 실시 형태인 파워 모듈용 기판 (110) 이 제조된다.
이어서, 파워 모듈용 기판 (110) 의 금속층 (113) 의 하면에, 땜납재를 개재하여 히트 싱크 (130) 를 접합한다 (히트 싱크 접합 공정 S103).
다음으로, 파워 모듈용 기판 (110) 의 회로층 (112) 의 상면에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S104).
이와 같이 하여, 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈 (101) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (110) 에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (112) 의 접합 계면 및 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (113) 의 사이의 접합층 (118) 에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면으로부터 회로층 (112) 측 및 금속층 (113) 측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상 (16) 의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있으므로, 접합층 (118) 내에 있어서 무른 Cu3P 상 (16) 이 차지하는 면적이 적고, 예를 들어 200 ℃ 이상과 같은 비교적 고온에까지 도달하는 냉열 사이클이 부하되었을 경우여도, 부분 방전의 발생을 억제할 수 있다.
또, 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (110) 의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 회로층 (112) 을, 타방의 면에 금속층 (113) 을 동시에 접합하는 구성으로 되어 있으므로, 제조 공정을 간략화하여, 제조 비용을 저감할 수 있다.
(제 3 실시 형태)
다음으로, 본 발명의 제 3 실시 형태에 대해 설명한다. 또한, 제 1 실시 형태와 동일한 구성인 것에 대해서는, 동일한 부호를 부여하여 기재하고, 상세한 설명을 생략한다.
도 11 에, 제 3 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (210) 을 구비한 파워 모듈 (201) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (201) 은, 회로층 (212) 및 금속층 (213) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (210) 과, 회로층 (212) 의 일방의 면 (도 11 에 있어서 상면) 에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 파워 모듈용 기판 (210) 의 타방측 (도 11 에 있어서 하측) 에 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 면 (도 12 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (212) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 12 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (213) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 제 1 실시 형태와 마찬가지로, 방열성이 우수한 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다.
회로층 (212) 은, 제 1 실시 형태와 마찬가지로, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 Cu-P 계 브레이징재 (224), Ti 재 (25), 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (222) 을 적층하여 가열 처리하고, 세라믹스 기판 (11) 에 Cu 판 (222) 을 접합함으로써 형성되어 있다 (도 15 참조).
또한, 회로층 (212) 의 두께는 0.1 mm 이상 1.0 mm 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시 형태에서는, 0.2 mm 로 설정되어 있다.
여기서, 본 실시 형태에서는, Cu-P 계 브레이징재 (224) 로서 구체적으로는 Cu-P-Sn-Ni 브레이징재를 사용하고 있다.
도 13 에, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (212) 의 사이의 접합층 (218) 의 단면 개략 설명도를 나타낸다.
세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (212) 의 사이의 접합층 (218) 중 세라믹스 기판 (11) 의 접합면 근방에 Cu-Sn 층 (14) 이 형성되어 있고, 이 Cu-Sn 층 (14) 의 회로층 (212) 측에는, Ti 를 포함하는 Ti 함유층 (15) 이 형성되어 있다.
여기서, Cu-Sn 층 (14) 내에는, Cu3P 상 (16) 이 분산되어 있다. 이 Cu3P 상 (16) 은, Ti 재 (25) 의 Ti 와 반응하지 않고 잔존한 P 가 Cu 와 반응함으로써 생성된다.
그리고, 본 실시 형태에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (212) 의 사이에 형성된 접합층 (218) 에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면으로부터 회로층 (212) 측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상 (16) 의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있다.
금속층 (213) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에, Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 Al 판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시 형태에 있어서, 금속층 (213) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에, 순도 99.99 mass％ 이상의 Al 판 (223) 을 접합함으로써 형성되어 있다 (도 15 참조). 본 실시 형태에서는, Al-Si 계 브레이징재로 이루어지는 접합재 (227) 를 사용하여 Al 판 (223) 이 접합되어 있다.
이 금속층 (213) 의 두께는 0.1 mm 이상 3.0 mm 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시 형태에서는, 2.1 mm 로 설정되어 있다.
히트 싱크 (230) 는, Al 또는 Al 합금으로 구성되어 있고, 본 실시 형태에서는 A6063 (Al 합금) 으로 구성되어 있다. 이 히트 싱크 (230) 에는, 냉각용의 유체가 흐르기 위한 유로 (231) 가 형성되어 있다. 또한, 이 히트 싱크 (230) 와 금속층 (213) 이, Al-Si 계 브레이징재로 이루어지는 접합재 (242) 에 의해 접합되어 있다.
다음으로, 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈 (201) 의 제조 방법에 대해, 도 14 의 플로우도 및 도 15 를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 15 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 15 에 있어서 상면) 에, Cu-P 계 브레이징재 (224), Ti 재 (25), 및 회로층 (212) 이 되는 Cu 판 (222) 을 순서대로 적층함과 함께, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 15 에 있어서 하면) 에, 접합재 (227) 를 개재하여 금속층 (213) 이 되는 Al 판 (223) 을 순서대로 적층한다. 그리고, 추가로 Al 판 (223) 의 하측에, 접합재 (242) 를 개재하여 히트 싱크 (230) 를 적층한다 (적층 공정 S201).
이 적층 공정 S201 에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (222) 의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 0.1 이상 0.8 이하의 범위 내가 되도록, Cu-P 계 브레이징재 (224) 및 Ti 재 (25) 를 배치하고 있다. 구체적으로는, Cu-P 계 브레이징재 (224) 의 P 의 함유량 및 Ti 재 (25) 의 순도를 고려하여, Cu-P 계 브레이징재 (224) 의 두께와 Ti 재 (25) 의 두께를 조정함으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (222) 의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕를 조정한다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11), Cu-P 계 브레이징재 (224), Ti 재 (25) 및 Cu 판 (222), 접합재 (227), Al 판 (223), 접합재 (242), 및 히트 싱크 (230) 를 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태로, 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다 (가열 처리 공정 S202). 여기서, 본 실시 형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도는 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간은 30 분 이상 240 분 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
이 가열 처리 공정 S202 에 있어서는, 상기 서술한 가열 온도까지의 승온 속도를 5 ℃／min 이상 30 ℃／min 이하의 범위 내로 하고 있다.
이 가열 처리 공정 S202 에 있어서는, Cu-P 계 브레이징재 (224) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상에 Ti 재 (25) 가 용해되어, 액상이 응고됨으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (222) 이 접합된다. 이 때, Cu-P 계 브레이징재 (224) 중에 포함되는 P 는, Ti 재 (25) 의 Ti 와 결합하고, 세라믹스 기판 (11) 측에는 Cu-Sn 층 (14) 이 형성된다.
또, 가열 처리 공정 S202 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 S202 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, 본 실시 형태인 파워 모듈용 기판 (210) 및 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판이 제조된다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (210) 의 회로층 (212) 의 상면에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S203).
이와 같이 하여, 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈 (201) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (210) 에 있어서는, 제 1 실시 형태에서 설명한 파워 모듈용 기판 (10) 과 동일한 효과를 발휘한다.
또, 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (210) 에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 Al 판 (223) 이 접합되어 이루어지는 금속층 (213) 이 형성되어 있으므로, 반도체 소자 (3) 로부터의 열을, 금속층 (213) 을 개재하여 효율적으로 방산할 수 있다. 또, Al 은 비교적 변형 저항이 낮기 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 파워 모듈용 기판 (210) 과 히트 싱크 (230) 의 사이에 생기는 열응력을 금속층 (213) 에 의해 흡수하고, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또, 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (210) 의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (222) 을 비교적 저온에서 접합 가능하게 되어 있으므로, Cu 판 (222) 으로 이루어지는 회로층 (212) 과 Al 판 (223) 으로 이루어지는 금속층 (213) 을 동시에 접합할 수 있어, 제조 공정을 간략화하여, 제조 비용을 저감할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 일은 없고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
예를 들어, 본 실시 형태에서는, 절연 회로 기판에 반도체 소자를 탑재하여 파워 모듈을 구성하는 것으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없다. 예를 들어, 절연 회로 기판의 회로층에 LED 소자를 탑재하여 LED 모듈을 구성해도 되고, 절연 회로 기판의 회로층에 열전 소자를 탑재하여 열전 모듈을 구성해도 된다.
또, 제 2 실시 형태 및 제 3 실시 형태에 있어서는, 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층을, 타방의 면에 금속층을 동시에 접합하는 경우에 대해 설명했지만, 회로층과 금속층을 따로 따로 접합해도 된다.
또, 제 3 실시 형태에 있어서, 회로층, 금속층, 및 히트 싱크를 동시에 접합하는 경우에 대해 설명했지만, 회로층과 금속층을 세라믹스 기판에 접합한 후에, 금속층과 히트 싱크를 접합하는 구성으로 해도 된다.
또, 제 3 실시 형태에 있어서, 세라믹스 기판의 타방의 면에 Al-Si 계 브레이징재를 개재하여 금속층을 접합하는 경우에 대해 설명했지만, 과도 액상 접합법 (TLP) 이나 Ag 페이스트 등에 의해 접합해도 된다.
또, 제 2 실시 형태 및 제 3 실시 형태에서는, 유로가 형성된 히트 싱크를 사용하는 경우에 대해 설명했지만, 방열판으로 불리는 판상의 것이나, 핀상 핀을 갖는 것으로 해도 된다.
또, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크를 땜납재 또는 브레이징재로 접합하는 경우에 대해 설명했지만, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크의 사이에 그리스를 개재하여 나사 고정 등에 의해 고정시키는 구성으로 되어도 된다.
또, 제 2 실시 형태 및 제 3 실시 형태의 파워 모듈용 기판에 있어서, 파워 모듈용 기판의 타방의 면측에 히트 싱크가 접합되어 있지 않아도 된다.
또한, Ti 재로서는, Ti 박을 사용해도 되고, 증착이나 스퍼터로 Ti 재를 형성해도 된다. 또, Cu 부재의 일방의 면에 Ti 를 배치 형성한 Cu 부재/Ti 클래드재를 사용할 수도 있다.
또한, Ti 재의 일방의 면에 Cu-P 계 브레이징재를 배치 형성한 Ti 재/브레이징재 클래드재나, Cu 부재, Ti 재, Cu-P 계 브레이징재의 순서로 적층된 Cu 부재/Ti 재/브레이징재 클래드를 사용할 수 있다.
또, 상기 실시 형태에서는 Cu-P 계 브레이징재로서, Cu-P-Sn-Ni 브레이징재를 사용하는 것으로서 설명했지만, Cu-P 브레이징재 등의 그 밖의 Cu-P 계 브레이징재를 사용해도 된다. 이하에, 본 발명의 접합체의 제조 방법에 적절한 Cu-P 계 브레이징재에 대해 상세하게 설명한다.
Cu-P 계 브레이징재의 P 의 함유량은, 3 mass％ 이상 10 mass％ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
P 는, 브레이징재의 용융 개시 온도를 저하시키는 작용 효과를 갖는 원소이다. 또, 이 P 는, P 가 산화됨으로써 발생하는 P 산화물에 의해, 브레이징재 표면을 덮음으로써 브레이징재의 산화를 방지함과 함께, 용융된 브레이징재의 표면을 유동성이 좋은 P 산화물이 덮음으로써 브레이징재의 젖음성을 향상시키는 작용 효과를 갖는 원소이다.
P 의 함유량이 3 mass％ 미만에서는, 브레이징재의 용융 개시 온도를 저하시키는 효과가 충분히 얻어지지 않아 브레이징재의 용융 개시 온도가 상승하거나, 브레이징재의 유동성이 부족하여, 세라믹스 기판과 회로층의 접합성이 저하되거나 할 우려가 있다. 또, P 의 함유량이 10 mass％ 초과에서는, 무른 금속간 화합물이 많이 형성되어, 세라믹스 기판과 회로층의 접합성이나 접합 신뢰성이 저하될 우려가 있다.
이와 같은 이유에서 Cu-P 계 브레이징재에 포함되는 P 의 함유량은, 3 mass％ 이상 10 mass％ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
또, Cu-P 계 브레이징재는, Sn 을 0.5 mass％ 이상 25 mass％ 이하 함유하고 있어도 된다.
Sn 은, 브레이징재의 융점을 저하시키는 작용 효과를 갖는 원소이다. Sn 의 함유량이 0.5 mass％ 이상에서는, 브레이징재의 융점을 확실히 낮게 할 수 있다. 또, Sn 의 함유량이 25 mass％ 이하에서는, 브레이징재의 저온 취화를 억제할 수 있고, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 이유에서 Cu-P 계 브레이징재에 Sn 을 함유시키는 경우, 그 함유량은 0.5 mass％ 이상 25 mass％ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
또, Cu-P 계 브레이징재는, Ni, Cr, Fe, Mn 중 어느 1 종 또는 2 종 이상을 2 mass％ 이상 20 mass％ 이하 함유하고 있어도 된다.
Ni, Cr, Fe, Mn 은, 세라믹스 기판과 브레이징재의 계면에 P 를 함유하는 금속간 화합물이 형성되는 것을 억제하는 작용 효과를 갖는 원소이다.
Ni, Cr, Fe, Mn 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 함유량이 2 mass％ 이상에서는, 세라믹스 기판과 브레이징재의 접합 계면에 P 를 함유하는 금속간 화합물이 형성되는 것을 억제할 수 있고, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 신뢰성이 향상된다. 또, Ni, Cr, Fe, Mn 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 함유량이 20 mass％ 이하에서는, 브레이징재의 용융 개시 온도가 상승하는 것을 억제하고, 브레이징재의 유동성이 저하되는 것을 억제하여, 세라믹스 기판과 회로층의 접합성을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 이유에서 Cu-P 계 브레이징재에 Ni, Cr, Fe, Mn 중 어느 1 종 또는 2 종 이상을 함유시키는 경우, 그 함유량은 2 mass％ 이상 20 mass％ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
실시예
(실시예 1)
이하에, 본 발명의 효과를 확인하기 위하여 실시한 확인 실험 (실시예 1) 의 결과에 대해 설명한다.
AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (40 mm × 40 mm × 0.635 mmt) 의 일방의 면에 표 1 에 나타내는 Cu-P 계 브레이징재, Ti 재, 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (37 mm × 37 mm × 0.2 mmt) 을 순서대로 적층한다.
이 때, 세라믹스 기판과 Cu 판의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 표 1 에 기재된 수치가 되도록, Cu-P 계 브레이징재 및 Ti 재를 배치했다.
또한, 본 실시예에 있어서 사용한 세라믹스 기판은, AlN 을 100 mass％ 로 하여 ZrO2 를 10 mass％ 첨가하여 소결한 세라믹스 기판으로 했다.
가열 처리 공정으로서 적층 방향으로 압력 15 kgf/㎠ 로 가압한 상태로 진공 가열로 내에 장입하고, Cu-P 계 브레이징재의 용융 개시 온도 이상의 온도에서 가열함으로써, 세라믹스 기판의 일방의 면에 Cu 판을 접합하여, 회로층을 형성했다.
이 가열 처리 공정에 있어서의 가열 온도, 가열 온도에 있어서의 유지 시간, 가열 온도까지의 승온 속도를 표 1 의 조건으로 실시했다.
이와 같이 하여 본 발명예 1-1 ∼ 1-8 및 비교예 1-1 ∼ 1-4 의 파워 모듈용 기판을 얻었다.
상기 서술한 바와 같이 하여 얻어진 파워 모듈용 기판에 대해, 세라믹스 기판과 회로층의 사이의 접합층에 있어서의 세라믹스 기판 근방의 Cu3P 상의 면적률, 및, 부분 방전 특성을 평가했다.
(Cu3P 상의 면적률)
상기 서술한 파워 모듈용 기판의 Cu 판/세라믹스 기판 계면의 단면을 EPMA (전자선 마이크로 애널라이저) 를 이용하여, 750 배로 관찰하고, 세라믹스 기판의 접합면으로부터 Cu 판측으로 50 ㎛ 의 영역 A 의 면적 a 를 구했다. 다음으로, 영역 A 내에 있어서, P 농도가 22 at％ ∼ 28 at％ 의 영역 B 를 Cu3P 상으로 간주하고, 그 면적 b 를 구하고, 면적 b/면적 a 를 Cu3P 상의 면적률 (％) 로 했다. 평가 결과를 표 1 에 나타낸다. 또한, 관찰은 5 시야에서 실시하고, Cu3P 상의 면적률은 이 5 시야의 면적률의 평균으로 했다.
(부분 방전 특성)
얻어진 파워 모듈용 기판에 대해, 200 ℃ 에서 5 분과 -40 ℃ 에서 5 분의 냉열 사이클을 100 사이클 부하했다. 그 후, 파워 모듈용 기판의 회로층 표면 및 세라믹스 기판의 회로층이 형성되어 있지 않은 측에 프로브를 쐬어, 3M 사 제조 플루오리너트에 침지하고, 방전 전하량을 국제 규격 IEC61287 에서 규정하는 조건으로, 측정 전압을 3.3 kV 로 설정하고, 부분 방전 특성을 평가했다. 측정 전압 평가 결과를 표 1 에 나타낸다.
Figure pct00001
비교예 1-1 은, 세라믹스 기판과 Cu 판의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 0.1 미만으로 되어 있고, 세라믹스 기판의 접합면으로부터 Cu 판측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 를 초과하고 있으므로, 부분 방전 특성이 불충분했다.
비교예 1-2 는, 세라믹스 기판과 Cu 판의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 0.8 을 초과하고 있고, 부분 방전 특성이 불충분했다.
비교예 1-3 은, 가열 처리 공정에 있어서의 가열 온도까지의 승온 속도가 5 ℃／min 미만으로 되어 있고, 세라믹스 기판의 접합면으로부터 Cu 판측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 를 초과하고 있으므로, 부분 방전 특성이 불충분했다.
비교예 1-4 는, 가열 처리 공정에 있어서의 가열 온도까지의 승온 속도가 30 ℃／min 을 초과하고 있고, 부분 방전 특성이 불충분했다.
이에 대하여, 본 발명예 1-1 ∼ 1-8 에 있어서는, 모두 부분 방전 특성이 우수했다. 이 실시예 1 에 의해, 세라믹스 기판의 편면에 Cu 판을 접합하는 경우, 부분 방전 특성을 향상시키는 것이 가능한 것이 확인되었다.
(실시예 2)
다음으로, 본 발명의 효과를 확인하기 위하여 실시한 확인 실험 (실시예 2) 의 결과에 대해 설명한다.
AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (40 mm × 40 mm × 0.635 mmt) 의 일방의 면 및 타방의 면에 표 2 에 나타내는 Cu-P 계 브레이징재, Ti 재, 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (37 mm × 37 mm × 0.2 mmt) 을 순서대로 적층한다.
이 때, 세라믹스 기판과 Cu 판의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 표 2 에 기재된 수치가 되도록, Cu-P 계 브레이징재 및 Ti 재를 배치했다.
또한, 본 실시예에 있어서 사용한 세라믹스 기판은, AlN 을 100 mass％ 로 하여 ZrO2 를 10 mass％ 첨가하여 소결한 세라믹스 기판으로 했다.
가열 처리 공정으로서 적층 방향으로 압력 15 kgf/㎠ 로 가압한 상태로 진공 가열로 내에 장입하고, Cu-P 계 브레이징재의 용융 개시 온도 이상의 온도에서 가열함으로써, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에 Cu 판을 접합하여, 회로층 및 금속층을 형성했다.
이 가열 처리 공정에 있어서의 가열 온도, 가열 온도에 있어서의 유지 시간, 가열 온도까지의 승온 속도를 표 2 의 조건으로 실시했다.
이와 같이 하여 본 발명예 2-1 ∼ 2-8 및 비교예 2-1 ∼ 2-4 의 파워 모듈용 기판을 얻었다.
상기 서술한 바와 같이 하여 얻어진 파워 모듈용 기판에 대해, 실시예 1 과 마찬가지로, 세라믹스 기판과 회로층의 사이의 접합층에 있어서의 세라믹스 기판 근방의 Cu3P 상의 면적률, 및, 부분 방전 특성을 평가했다. 또한, 부분 방전 특성을 평가할 때에는, 회로층 및 금속층 표면에 프로브를 쐬어 측정했다.
평가 결과를 표 2 에 나타낸다.
Figure pct00002
비교예 2-1 은, 세라믹스 기판과 Cu 판의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 0.1 미만으로 되어 있고, 세라믹스 기판의 접합면으로부터 Cu 판측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 를 초과하고 있으므로, 부분 방전 특성이 불충분했다.
비교예 2-2 는, 세라믹스 기판과 Cu 판의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 0.8 을 초과하고 있어, 부분 방전 특성이 불충분했다.
비교예 2-3 은, 가열 처리 공정에 있어서의 가열 온도까지의 승온 속도가 5 ℃／min 미만으로 되어 있고, 세라믹스 기판의 접합면으로부터 Cu 판측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 를 초과하고 있으므로, 부분 방전 특성이 불충분했다.
비교예 2-4 는, 가열 처리 공정에 있어서의 가열 온도까지의 승온 속도가 30 ℃／min 을 초과하고 있어, 부분 방전 특성이 불충분했다.
이에 대하여, 본 발명예 2-1 ∼ 2-8 에 있어서는, 모두 부분 방전 특성이 우수했다. 이 실시예 2 에 의해, 세라믹스 기판의 양면에 Cu 판을 접합하는 경우여도, 부분 방전 특성을 향상시키는 것이 가능한 것이 확인되었다.
(실시예 3)
다음으로, 본 발명의 효과를 확인하기 위하여 실시한 확인 실험 (실시예 3) 의 결과에 대해 설명한다.
AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (40 mm × 40 mm × 0.635 mmt) 의 일방의 면에 표 3 에 나타내는 Cu-P 계 브레이징재, Ti 재, 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (37 mm × 37 mm × 0.2 mmt) 을 순서대로 적층함과 함께, 세라믹스 기판의 타방의 면에, Al-Si 계 브레이징재를 개재하여 순도 99.99 mass％ 의 Al 로 이루어지는 Al 판 (37 mm × 37 mm × 2.1 mmt) 을 적층했다.
이 때, 세라믹스 기판과 Cu 판의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 표 3 에 기재된 수치가 되도록, Cu-P 계 브레이징재 및 Ti 재를 배치했다.
또한, 본 실시예에 있어서 사용한 세라믹스 기판은, AlN 을 100 mass％ 로 하여 ZrO2 를 10 mass％ 첨가하여 소결한 세라믹스 기판으로 했다.
가열 처리 공정으로서 적층 방향으로 압력 15 kgf/㎠ 로 가압한 상태로 진공 가열로 내에 장입하고, 10-6 Pa 이상, 10-3 Pa 이하의 압력, Cu-P 계 브레이징재의 용융 개시 온도 이상의 온도에서 가열함으로써, 세라믹스 기판의 일방의 면에 Cu 판을 접합하여 회로층을 형성함과 함께, 세라믹스 기판의 타방의 면에 Al 판을 접합하여 금속층을 형성했다.
이 가열 처리 공정에 있어서의 가열 온도, 가열 온도에 있어서의 유지 시간, 가열 온도까지의 승온 속도를 표 3 의 조건으로 실시했다.
이와 같이 하여 본 발명예 3-1 ∼ 3-8 및 비교예 3-1 ∼ 3-4 의 파워 모듈용 기판을 얻었다.
상기 서술한 바와 같이 하여 얻어진 파워 모듈용 기판에 대해, 실시예 1 과 마찬가지로, 세라믹스 기판과 회로층의 사이의 접합층에 있어서의 세라믹스 기판 근방의 Cu3P 상의 면적률, 및, 부분 방전 특성을 평가했다. 또한, 부분 방전 특성을 평가할 때에는, 회로층 및 금속층 표면에 프로브를 쐬어 측정했다.
평가 결과를 표 3 에 나타낸다.
Figure pct00003
비교예 3-1 은, 세라믹스 기판과 Cu 판의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 0.1 미만으로 되어 있고, 세라믹스 기판의 접합면으로부터 Cu 판측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 를 초과하고 있으므로, 부분 방전 특성이 불충분했다.
비교예 3-2 는, 세라믹스 기판과 Cu 판의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 0.8 을 초과하고 있어, 부분 방전 특성이 불충분했다.
비교예 3-3 은, 가열 처리 공정에 있어서의 가열 온도까지의 승온 속도가 5 ℃／min 미만으로 되어 있고, 세라믹스 기판의 접합면으로부터 Cu 판측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 를 초과하고 있으므로, 부분 방전 특성이 불충분했다.
비교예 3-4 는, 가열 처리 공정에 있어서의 가열 온도까지의 승온 속도가 30 ℃／min 을 초과하고 있어, 부분 방전 특성이 불충분했다.
이에 대하여, 본 발명예 3-1 ∼ 3-8 에 있어서는, 모두 부분 방전 특성이 우수했다. 이 실시예 3 에 의해, 세라믹스 기판의 일면에 Cu 판을 접합함과 함께 세라믹스 기판의 타방의 면에 Al 판을 접합했을 경우여도, 부분 방전 특성을 향상시키는 것이 가능한 것이 확인되었다.
(실시예 4)
다음으로, 본 발명의 효과를 확인하기 위하여 실시한 확인 실험 (실시예 4) 의 결과에 대해 설명한다.
AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (40 mm × 40 mm × 1.0 mmt) 의 일방의 면 및 타방의 면에 표 4 에 나타내는 Cu-P 계 브레이징재, Ti 재, 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (37 mm × 37 mm × 0.2 mmt) 을 순서대로 적층한다.
이 때, 세라믹스 기판과 Cu 판의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 표 4 에 기재된 수치가 되도록, Cu-P 계 브레이징재 및 Ti 재를 배치했다.
또한, 본 실시예에 있어서 사용한 세라믹스 기판은, AlN 을 100 mass％ 로 하여 ZrO2 를 10 mass％ 첨가하여 소결한 세라믹스 기판으로 했다.
가열 처리 공정으로서 적층 방향으로 압력 15 kgf/㎠ 로 가압한 상태로 진공 가열로 내에 장입하고, Cu-P 계 브레이징재의 용융 개시 온도 이상의 온도에서 가열함으로써, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에 Cu 판을 접합하여, 회로층 및 금속층을 형성했다.
이 가열 처리 공정에 있어서의 가열 온도, 가열 온도에 있어서의 유지 시간, 가열 온도까지의 승온 속도를 표 4 의 조건으로 실시했다.
이와 같이 하여 본 발명예 4-1 ∼ 4-8 및 비교예 4-1 ∼ 4-4 의 파워 모듈용 기판을 얻었다.
상기 서술한 바와 같이 하여 얻어진 파워 모듈용 기판에 대해, 실시예 1 과 마찬가지로, 세라믹스 기판과 회로층의 사이의 접합층에 있어서의 세라믹스 기판 근방의 Cu3P 상의 면적률을 평가했다.
또, 부분 방전 특성에 대해서는, 먼저, 얻어진 파워 모듈용 기판에 대해, 150 ℃ 에서 15 분과 -50 ℃ 에서 15 분의 냉열 사이클을 200 사이클을 부하했다. 그리고, 그 후, 파워 모듈용 기판의 회로층 표면 및 금속층 표면에 프로브를 쐬어, 플루오리너트에 침지하고, 방전 전하량을 국제 규격 IEC61287 에서 규정하는 조건으로, 측정 전압을 5.1 kV 로 설정하고, 부분 방전 특성을 평가했다. 즉, 이 실시예 4 에 있어서는, 고전압 부하 시의 부분 방전 특성에 대해 평가했다.
평가 결과를 표 4 에 나타낸다.
Figure pct00004
비교예 4-1 은, 세라믹스 기판과 Cu 판의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 0.1 미만으로 되어 있고, 세라믹스 기판의 접합면으로부터 Cu 판측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 를 초과하고 있으므로, 부분 방전 특성이 불충분했다.
비교예 4-2 는, 세라믹스 기판과 Cu 판의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 0.8 을 초과하고 있어, 부분 방전 특성이 불충분했다.
비교예 4-3 은, 가열 처리 공정에 있어서의 가열 온도까지의 승온 속도가 5 ℃／min 미만으로 되어 있고, 세라믹스 기판의 접합면으로부터 Cu 판측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 를 초과하고 있으므로, 부분 방전 특성이 불충분했다.
비교예 4-4 는, 가열 처리 공정에 있어서의 가열 온도까지의 승온 속도가 30 ℃／min 을 초과하고 있어, 부분 방전 특성이 불충분했다.
이에 대하여, 본 발명예 4-1 ∼ 4-8 에 있어서는, 모두 부분 방전 특성이 우수했다. 이 실시예 4 에 의해, 측정 전압을 5.1 Kv 로 높게 설정했을 경우여도, 충분한 부분 방전 특성을 얻는 것이 가능한 것이 확인되었다.
(실시예 5)
다음으로, 본 발명의 효과를 확인하기 위하여 실시한 확인 실험 (실시예 5) 의 결과에 대해 설명한다.
Si3N4 로 이루어지는 세라믹스 기판 (40 mm × 40 mm × 0.32 mmt) 의 일방의 면 및 타방의 면에 표 5 에 나타내는 Cu-P 계 브레이징재, Ti 재, 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (37 mm × 37 mm × 0.2 mmt) 을 순서대로 적층한다.
이 때, 세라믹스 기판과 Cu 판의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 표 5 에 기재된 수치가 되도록, Cu-P 계 브레이징재 및 Ti 재를 배치했다.
가열 처리 공정으로서 적층 방향으로 압력 15 kgf/㎠ 로 가압한 상태로 진공 가열로 내에 장입하고, Cu-P 계 브레이징재의 용융 개시 온도 이상의 온도에서 가열함으로써, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에 Cu 판을 접합하여, 회로층 및 금속층을 형성했다.
이 가열 처리 공정에 있어서의 가열 온도, 가열 온도에 있어서의 유지 시간, 가열 온도까지의 승온 속도를 표 5 의 조건으로 실시했다.
이와 같이 하여 본 발명예 5-1 ∼ 5-8 및 비교예 5-1 ∼ 5-4 의 파워 모듈용 기판을 얻었다.
상기 서술한 바와 같이 하여 얻어진 파워 모듈용 기판에 대해, 실시예 1 과 마찬가지로, 세라믹스 기판과 회로층의 사이의 접합층에 있어서의 세라믹스 기판 근방의 Cu3P 상의 면적률, 및, 부분 방전 특성을 평가했다. 또한, 부분 방전 특성을 평가할 때에는, 회로층 및 금속층 표면에 프로브를 쐬어 측정했다.
평가 결과를 표 5 에 나타낸다.
Figure pct00005
비교예 5-1 은, 세라믹스 기판과 Cu 판의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 0.1 미만으로 되어 있고, 세라믹스 기판의 접합면으로부터 Cu 판측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 를 초과하고 있으므로, 부분 방전 특성이 불충분했다.
비교예 5-2 는, 세라믹스 기판과 Cu 판의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가 0.8 을 초과하고 있어, 부분 방전 특성이 불충분했다.
비교예 5-3 은, 가열 처리 공정에 있어서의 가열 온도까지의 승온 속도가 5 ℃／min 미만으로 되어 있고, 세라믹스 기판의 접합면으로부터 Cu 판측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 를 초과하고 있으므로, 부분 방전 특성이 불충분했다.
비교예 5-4 는, 가열 처리 공정에 있어서의 가열 온도까지의 승온 속도가 30 ℃／min 을 초과하고 있어, 부분 방전 특성이 불충분했다.
이에 대하여, 본 발명예 5-1 ∼ 5-8 에 있어서는, 모두 부분 방전 특성이 우수했다. 이 실시예 5 에 의해, Si3N4 로 이루어지는 세라믹스 기판의 양면에 Cu 판을 접합하는 경우여도, 부분 방전 특성을 향상시키는 것이 가능한 것이 확인되었다.
산업상 이용가능성
본 발명의 접합체, 이 접합체로 이루어지는 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 및, 이 접합체의 제조 방법, 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 부재와 Cu 부재가 양호하게 접합되고, 또한, 비교적 고온에까지 도달하는 냉열 사이클을 부하했을 경우여도 부분 방전의 발생을 억제하는 것이 가능하다.
10, 110, 210 : 파워 모듈용 기판 (접합체)
11 : 세라믹스 기판 (세라믹스 부재)
12, 112, 212 : 회로층 (Cu 부재)
16 : Cu3P 상
18, 118, 218 : 접합층
22, 122, 123, 222 : Cu 판 (Cu 부재)
24, 124, 224 : Cu-P 계 브레이징재
113 : 금속층 (Cu 부재)

Claims (9)

  1. 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재의 접합체로서,
    상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재의 사이에 형성된 접합층에 있어서, 상기 세라믹스 부재의 접합면으로부터 상기 Cu 부재측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하는 접합체.
  2. 제 1 항에 기재된 접합체로 이루어지고,
    상기 세라믹스 부재로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 형성된 상기 Cu 부재로 이루어지는 회로층을 구비하고,
    상기 세라믹스 기판과 상기 회로층의 사이에 형성된 접합층에 있어서, 상기 세라믹스 기판의 접합면으로부터 상기 회로층측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판의 타방의 면에, Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 금속층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  4. 제 1 항에 기재된 접합체로 이루어지고,
    상기 세라믹스 부재로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 형성된 상기 Cu 부재로 이루어지는 금속층을 구비하고,
    상기 세라믹스 기판과 상기 금속층의 사이에 형성된 접합층에 있어서, 상기 세라믹스 기판의 접합면으로부터 상기 금속층측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu3P 상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 상기 파워 모듈용 기판의 상기 회로층 상에 탑재된 반도체 소자를 구비한 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  6. 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재의 접합체의 제조 방법으로서,
    Cu-P 계 브레이징재와 Ti 재를 개재하여 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재를 적층하는 적층 공정과, 상기 Cu-P 계 브레이징재의 용융 개시 온도 이상의 온도에서 가열하여 액상을 생성시키는 가열 처리 공정을 구비하고,
    상기 적층 공정에 있어서는, 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재의 사이에 개재되는 P 와 Ti 의 원자비〔Ti/P〕가, 0.1 이상 0.8 이하의 범위 내가 되도록, 상기 Cu-P 계 브레이징재 및 상기 Ti 재를 배치하고,
    상기 가열 처리 공정에 있어서는, 승온 속도를 5 ℃／min 이상 30 ℃／min 이하의 범위 내로 하는 것을 특징으로 하는 접합체의 제조 방법.
  7. 세라믹스 기판의 일방의 면에 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 회로층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 세라믹스 기판과 상기 회로층을, 제 6 항에 기재된 접합체의 제조 방법에 의해 접합하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  8. 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층이 배치 형성되고, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 세라믹스 기판과 상기 금속층을, 제 6 항에 기재된 접합체의 제조 방법에 의해 접합하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  9. 세라믹스 기판의 일방의 면에 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 회로층이 배치 형성되고, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 세라믹스 기판과 상기 회로층을, 제 6 항에 기재된 접합체의 제조 방법에 의해 접합하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
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