KR20200085743A - 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 - Google Patents

히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 Download PDF

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KR20200085743A
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KR
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heat sink
layer
substrate
module substrate
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KR1020207011904A
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가즈히코 야마사키
고타로 마스야마
다츠야 누마
마사유키 이시카와
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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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    • H05K2201/066—Heatsink mounted on the surface of the PCB

Abstract

절연 기판 (21) 과, 절연 기판 (21) 의 일방의 면에 형성된 회로층 (22) 과, 절연 기판 (21) 의 타방의 면에 형성된 금속층 (23) 을 구비한 파워 모듈용 기판 (20) 과, 파워 모듈용 기판 (20) 의 금속층 (23) 의 절연 기판 (21) 과는 반대측의 면에 접합층 (30) 을 개재하여 접합된 히트싱크 (40) 를 구비하여 이루어지는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (10) 으로서, 접합층 (30) 은, 은 입자의 소결체로서, 상대 밀도가 60 ％ 이상 90 ％ 이하의 범위 내에 있는 다공질체이고, 두께가 10 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하의 범위 내에 있는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.

Description

히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법
본 발명은, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은, 2017년 11월 6일에, 일본에 출원된 일본 특허출원 2017-213917호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
인버터 등에 사용되는 파워 반도체 소자는, 작동시의 발열량이 크다. 이 때문에, 파워 반도체 소자를 실장하는 기판으로는, 고내열성의 세라믹스로 이루어지는 절연 기판과, 이 절연 기판의 일방의 면에 형성된 회로층과, 절연 기판의 타방의 면에 형성된 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판이 사용된다.
이 파워 모듈용 기판에서는, 회로층에 파워 반도체 소자를 실장하고, 금속층에 열전도재를 개재하여 히트싱크를 접촉시켜, 파워 반도체 소자에서 발생한 열을 히트싱크에서 방열시키는 것이 실시되고 있다.
열전도재로는, 열전도성이 높은 그리스가 널리 이용되고 있다. 이 그리스를 개재하여, 파워 모듈용 기판과 히트싱크를 접촉시킨 경우, 파워 반도체 소자의 ON/OFF 등에 의해 일어나는 냉열 사이클에 의해, 파워 모듈용 기판에 휨이 발생 하면, 파워 모듈용 기판과 그리스 사이에 간극이 발생하고, 파워 모듈용 기판과 히트싱크 사이의 열전도성이 저하될 우려가 있었다.
이 때문에, 파워 모듈용 기판의 금속층과 히트싱크를, 솔더재를 사용하여 직접 접합하는 것이 검토되고 있다. 특허문헌 1 에는, 파워 모듈용 기판과 히트싱크를, Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계 등의 각종 솔더재를 사용하여 접합한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판이 기재되어 있다.
일본 공개특허공보 2014-222788호 (A)
파워 모듈용 기판과 히트싱크를 솔더재를 사용하여 접합한 종래의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 장기간에 걸쳐서 냉열 사이클이 부하되면, 파워 모듈용 기판과 히트싱크 사이의 선팽창 계수의 차이에 의해 발생하는 내부 응력에 의해, 솔더재가 파손되어, 파워 모듈용 기판과 솔더재 사이의 열전도성이 부분적으로 저하되는 경우가 있었다. 이 부분적인 열전도성의 저하가 발생하면, 파워 모듈용 기판과 히트싱크 사이의 열저항이 증가하고, 파워 모듈용 기판 내에 열이 축적되기 쉬워지고, 또 반도체 소자의 온도가 증대되어, 파워 모듈용 기판에 손상을 주고, 절연 기판의 균열을 발생시킬 가능성이 있었다.
이 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 냉열 사이클의 부하에 의한 열저항의 증가나 절연 기판의 균열의 발생을 장기간에 걸쳐서 억제할 수 있는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 절연 기판과, 그 절연 기판의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 절연 기판의 타방의 면에 형성된 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판과, 상기 파워 모듈용 기판의 상기 금속층의 상기 절연 기판과는 반대측의 면에 접합층을 개재하여 접합된 히트싱크를 구비하여 이루어지는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판으로서, 상기 접합층은, 은 입자의 소결체로서, 상대 밀도가 60 ％ 이상 90 ％ 이하의 범위 내에 있는 다공질체이고, 두께가 10 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이와 같은 구성으로 된 본 발명의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 의하면, 접합층은, 은 입자의 소결체로 구성되어 있으므로, 융점이 높고, 용융되기 어렵다. 또, 접합층을 구성하는 은 입자의 소결체는, 상대 밀도가 60 ％ 이상 90 ％ 이하의 범위 내에 있는 다공질체이고, 또한 두께가 10 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있으므로, 냉열 사이클 부하시에, 파워 모듈용 기판과 히트싱크 사이의 선팽창 계수의 차이에 의해 발생하는 내부 응력이 완화되고, 접합층이 파손되기 어려워진다. 따라서, 본 발명의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 냉열 사이클의 부하에 의한 열저항의 증가나 절연 기판의 균열의 발생을 장기간에 걸쳐서 억제할 수 있다.
여기서, 본 발명의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 금속층이, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판, 혹은 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 금속층이, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판, 혹은 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판으로 구성되어 있으므로, 열도전성이 높고, 회로층에 실장된 반도체 소자에서 발생한 열을 효율적으로 히트싱크에 전달시킬 수 있다.
또, 본 발명의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 있어서, 상기 금속층이, 상기 알루미늄판으로 구성되어 있는 경우에는, 상기 알루미늄판의 상기 절연 기판과는 반대측의 면에 은 도금층 또는 금 도금층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 알루미늄판 (금속층) 의 절연 기판과는 반대측의 면에는 은 도금층 또는 금 도금층이 형성되어 있으므로, 금속층과 접합층 (은 입자의 소결체) 의 접합력이 높아진다.
본 발명의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 상기 서술한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 절연 기판과, 그 절연 기판의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 절연 기판의 타방의 면에 형성된 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판의 상기 금속층의 상기 절연 기판과는 반대측의 면 및 히트싱크 중의 적어도 일방의 표면에, 평균 입경이 0.1 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하의 범위 내에 있는 은 입자를 70 질량％ 이상 95 질량％ 이하의 범위 내의 양으로 포함하는 페이스트상 접합재 조성물의 층을 형성하는 페이스트상 접합재 조성물층 형성 공정과, 상기 파워 모듈용 기판과 상기 히트싱크를, 상기 페이스트상 접합재 조성물의 층을 개재하여 적층하는 적층 공정과, 적층된 상기 파워 모듈용 기판과 상기 히트싱크를, 적층 방향으로 1 ㎫ 이하의 압력하에서, 150 ℃ 이상 300 ℃ 이하의 온도에서 가열하는 가열 공정을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
이와 같은 구성으로 된 본 발명의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 파워 모듈용 기판과 히트싱크를, 평균 입경이 0.1 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하의 범위 내에 있는 은 입자를 70 질량％ 이상 95 질량％ 이하의 범위 내의 양으로 포함하는 페이스트상 접합재 조성물의 층을 개재하여 적층한 적층체를, 적층 방향으로 1 ㎫ 이하의 압력하에서, 150 ℃ 이상 300 ℃ 이하의 온도에서 가열하므로, 은 입자를 과잉으로 치밀화시키지 않고, 또한 확실하게 소결시킬 수 있다. 이로써, 파워 모듈용 기판의 금속층과 히트싱크 사이에, 은 입자의 소결체로서 상대 밀도가 60 ％ 이상 90 ％ 이하의 범위 내에 있는 다공질체인 접합층을 생성시키는 것이 가능해진다.
본 발명에 의하면, 냉열 사이클의 부하에 의한 열저항의 증가나 절연 기판의 균열의 발생을 장기간에 걸쳐서 억제할 수 있는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공하는 것이 가능해진다.
도 1 은, 본 발명의 일 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는, 본 발명의 일 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 플로도이다.
도 3 은, 본 발명예 9 에서 제조한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 접합층의 단면 SEM 사진이다.
도 4 는, 본 발명예 17 에서 제조한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 접합층의 단면 SEM 사진이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 은, 발명의 일 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 1 에 있어서, 파워 모듈 (1) 은, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (10) 과, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (10) 의 일방측 (도 1 에 있어서 상측) 의 면에 솔더층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 를 구비하고 있다. 여기서, 솔더층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 솔더재 (이른바 무연 솔더재) 로 되어 있다.
히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (10) 은, 파워 모듈용 기판 (20) 과 접합층 (30) 을 개재하여 접합되어 있는 히트싱크 (40) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (20) 은, 절연 기판 (21) 과, 절연 기판 (21) 의 일방의 면에 형성된 회로층 (22) 과, 절연 기판 (21) 의 타방의 면에 형성된 금속층 (23) 을 갖는다.
절연 기판 (21) 은, 회로층 (22) 과 금속층 (23) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 예를 들어 AlN (질화알루미늄), Si3N4 (질화규소), Al2O3 (알루미나) 등의 절연성이 높은 세라믹스로 구성되어 있다. 또, 절연 기판 (21) 의 두께는, 0.2 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (22) 은, 절연 기판 (21) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판, 혹은 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합됨으로써 구성되어 있다. 알루미늄판으로는, 순도 99 질량％ 이상의 알루미늄 (A1050, A1080 등) 및 순도 99.99 질량％ 이상의 고순도 알루미늄 (4N-Al) 을 사용할 수 있다. 구리판으로는, 무산소동 및 순도 99.9999 질량％ 이상의 고순도 구리 (6N-Cu) 를 사용할 수 있다. 회로층 (22) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.3 ㎜ 로 설정되어 있다. 또, 이 회로층 (22) 에는, 회로 패턴이 형성되어 있고, 그 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 이, 반도체 소자 (3) 가 탑재되는 탑재면 (22A) 으로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 회로층 (22) 의 탑재면 (22A) 과 솔더층 (2) 사이에, 니켈 도금층 (도시하지 않음) 이 형성되어 있어도 된다.
금속층 (23) 은, 절연 기판 (21) 의 타방의 면 (도 1 에 있어서 하면) 에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판, 혹은 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합됨으로써 구성되어 있다. 알루미늄판으로는, 순도 99 질량％ 이상의 알루미늄 (A1050, A1080 등) 및 순도 99.99 질량％ 이상의 고순도 알루미늄 (4N-Al) 을 사용할 수 있다. 구리판으로는, 무산소동 및 순도 99.9999 질량％ 이상의 고순도 구리 (6N-Cu) 를 사용할 수 있다. 금속층 (23) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.3 ㎜ 로 설정되어 있다.
본 실시형태에서는, 금속층 (23) 의 절연 기판 (21) 측과는 반대측의 면이, 접합층 (30) 을 개재하여 히트싱크 (40) 가 접합되는 접합면 (23A) 으로 되어 있다. 또한, 금속층 (23) 이 알루미늄판으로 구성되어 있는 경우에는, 접합면 (23A) 에 은 도금층 또는 금 도금층 (도시하지 않음) 이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 은 도금층 또는 금 도금층을 형성함으로써, 금속층 (23) 과 접합층 (30) 사이의 접합력이 강해지고, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다. 은 도금층 및 금 도금층의 두께는 0.05 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 또한, 금속층 (23) 이 구리판으로 구성되어 있는 경우에도, 접합면 (23A) 에 은 도금층 또는 금 도금층을 형성해도 된다.
히트싱크 (40) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (20) 을 냉각하기 위한 것이다. 히트싱크 (40) 는, 그 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 이, 파워 모듈용 기판 (20) 의 금속층 (23) 과 접합층 (30) 을 개재하여 접합되는 천판부 (41) 로 되어 있다. 히트싱크 (40) 의 내부에는, 냉각 매체가 유통되는 유로 (42) 가 구비되어 있다. 또한, 유로 (42) 를 형성하는 대신에, 히트싱크 (40) 의 천판부 (41) 이외의 면을 핀 구조로 해도 된다.
히트싱크 (40) 는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 히트싱크 (40) 는, 알루미늄 합금으로 구성되어 있다. 알루미늄 합금으로는, A3003 합금, A1100 합금, A3003 합금, A5052 합금, A7N01 합금, A6063 합금을 사용할 수 있다. 히트싱크 (40) 의 천판부 (41) 의 표면은, 은 도금층 또는 금 도금층 (도시하지 않음) 이 형성되어 있어도 된다. 은 도금층 또는 금 도금층을 형성함으로써, 히트싱크 (40) 와 접합층 (30) 사이의 접합력이 강해지고, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.
접합층 (30) 은, 은 입자의 소결체로 구성되어 있다. 미세한 은 입자는 비교적 저온에서 소결되지만, 그 은 입자의 소결체는 열적인 안정성이 향상되고, 통상적인 파워 반도체 소자에서 발생하는 열로는 용융되지 않는다. 또, 접합층 (30) 을 구성하는 은 입자의 소결체는, 다수의 기공을 갖는 다공질체이며, 상대 밀도가 60 ％ 이상 90 ％ 이하의 범위 내, 바람직하게는 62 ％ 이상 90 ％ 이하, 더욱더 바람직하게는 80 ％ 이상 88 ％ 이하의 범위 내에 있다. 이 접합층 (30) 내의 기공에 의해, 접합층 (30) 은, 벌크의 은에 비해 탄성률이 낮아지고, 냉열 사이클 부하시에, 파워 모듈용 기판 (20) 과 히트싱크 (40) 사이의 선팽창 계수의 차이에 의해 발생하는 내부 응력이 완화된다. 이 때문에, 접합층 (30) 은, 냉열 사이클 부하시에 파손되기 어려워진다. 상대 밀도가 60 ％ 미만이면, 소결체인 접합층 (30) 의 기계 강도가 저하되고, 냉열 사이클 부하시에, 접합층 (30) 에 파손이 발생할 우려가 있다. 한편, 상대 밀도가 90 ％ 를 초과하면, 접합층 (30) 의 탄성률이 벌크의 은과 동일한 정도가 되고, 냉열 사이클 부하시의 접합층 (30) 에 의한 내부 응력의 완화 기능이 저하될 우려가 있다. 또한, 접합층 (30) 의 상대 밀도는, 은의 진밀도에 대한 접합층 (30) 의 밀도 (실측값) 의 백분율이다.
접합층 (30) 은, 두께가 10 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다. 접합층 (30) 의 두께가 10 ㎛ 미만이면, 냉열 사이클 부하시의 접합층 (30) 내의 내부 응력의 완화 능력이 저하되고, 접합층 (30) 에 파손이 발생할 우려가 있다. 한편, 접합층 (30) 의 두께가 500 ㎛ 를 초과하면, 접합층 (30) 의 기계 강도가 저하되어, 냉열 사이클 부하시에 접합층 (30) 에 파손이 발생할 우려가 있다.
접합층 (30) 의 바람직한 두께는 10 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하의 범위 내의 두께이고, 보다 바람직하게는 15 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위 내의 두께이다.
다음으로, 본 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 대해, 도 2 를 참조하여 설명한다.
도 2 는, 본 발명의 일 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 플로도이다. 본 발명의 일 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 페이스트상 접합재 조성물층 형성 공정 (S01) 과, 적층 공정 (S02) 과, 가열 공정 (S03) 을 구비한다.
(페이스트상 접합재 조성물층 형성 공정 (S01))
페이스트상 접합재 조성물층 형성 공정 (S01) 에서는, 파워 모듈용 기판의 금속층의 절연 기판과는 반대측의 면 및 히트싱크 중의 적어도 일방의 표면에, 페이스트상 접합재 조성물의 층을 형성한다. 페이스트상 접합재 조성물의 층을 형성하는 방법으로는, 도포법, 침지법 등의 방법을 사용할 수 있다. 후술하는 가열 공정 (S03) 에 있어서, 페이스트상 접합재 조성물층이 가열됨으로써 접합층 (30) 이 생성된다.
페이스트상 접합재 조성물은, 용매와 은 입자를 포함한다.
페이스트상 접합재 조성물의 용매는, 후술하는 가열 공정 (S03) 에 있어서, 증발 제거할 수 있는 것이면 특별히 제한은 없다. 용매로는, 예를 들어 알코올계 용매, 글리콜계 용매, 아세테이트계 용매, 탄화수소계 용매, 아민계 용매를 사용할 수 있다. 알코올계 용매의 예로는, α-테르피네올, 이소프로필알코올을 들 수 있다. 글리콜계 용매의 예로는, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜을 들 수 있다. 아세테이트계 용매의 예로는, 아세트산부틸톨카르비테이트를 들 수 있다. 탄화수소계 용매의 예로는, 데칸, 도데칸, 테트라데칸을 들 수 있다. 아민계 용매의 예로는, 헥실아민, 옥틸아민, 도데실아민을 들 수 있다. 이들 용매는 1 종을 단독으로 사용해도 되고, 2 종 이상을 조합하여 사용해도 된다.
은 입자로는, 평균 입경이 0.1 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하의 범위 내에 있는 것을 사용한다. 은 입자의 평균 입경이 0.1 ㎛ 미만이면, 페이스트상 접합재 조성물층의 두께를 두껍게 하는 것이 어렵고, 또, 후술하는 가열 공정 (S03) 에 있어서, 은 입자의 소결이 진행되기 쉬워지고, 생성되는 접합층 (30) 의 상대 밀도가 지나치게 높아질 우려가 있다. 한편, 은 입자의 평균 입경이 1 ㎛ 를 초과하면, 후술하는 가열 공정 (S03) 에 있어서, 은 입자의 소결이 진행되기 어려워지고, 생성되는 접합층 (30) 의 상대 밀도가 지나치게 낮아질 우려가 있다. 바람직한 은 입자의 평균 입경의 범위는, 0.2 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 이하이다.
은 입자는, 산화 및 응집을 방지하기 위한 보호재로 피복되어 있어도 된다. 보호재로는, 탄소수가 2 이상 8 이하의 유기물을 사용할 수 있다. 유기물은 카르복실산인 것이 바람직하다. 카르복실산의 예로는, 글리콜산, 시트르산, 말산, 말레산, 말론산, 푸마르산, 숙신산, 타르타르산을 들 수 있다. 보호재의 함유량은, 은 입자를 100 질량％ 로 했을 때에, 1 질량％ 이하인 것이 바람직하다.
페이스트상 접합재 조성물의 은 입자의 함유량은, 페이스트상 접합재 조성물을 100 질량％ 로 했을 때에, 70 질량％ 이상 95 질량％ 이하의 범위 내의 양이다. 70 질량％ 미만이면, 페이스트상 접합재 조성물의 점도가 지나치게 낮아져, 페이스트상 접합재 조성물층의 두께를 두껍게 하는 것이 어렵고, 또 후술하는 가열 공정 (S03) 에 있어서, 은 입자의 소결이 진행되기 어려워지고, 생성되는 접합층 (30) 의 상대 밀도가 지나치게 낮아질 우려가 있다. 한편, 은 입자의 함유량이 95 질량％ 를 초과하면, 페이스트상 접합재 조성물의 점도가 지나치게 높아져, 페이스트상 접합재 조성물층을 형성하기 어려워질 우려가 있다. 페이스트상 접합재 조성물의 은 입자의 함유량은, 바람직하게는 70 질량％ 이상 90 질량％ 이하의 범위 내의 양이고, 보다 바람직하게는 85 질량％ 이상 90 질량％ 이하의 범위 내의 양이다.
페이스트상 접합재 조성물층의 두께는, 페이스트상 접합재 조성물의 은 입자의 평균 입경이나 함유량에 따라 상이하므로, 일률적으로 정할 수는 없지만, 후술하는 가열 공정 (S03) 에서의 가열에 의해 생성되는 접합층의 두께가 10 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하의 범위 내가 되는 두께이면 된다. 바람직한 접합층의 두께는 10 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하의 범위 내가 되는 두께이다.
(적층 공정 (S02))
적층 공정 (S02) 에서는, 파워 모듈용 기판과 히트싱크를, 페이스트상 접합재 조성물층 형성 공정 (S01) 에서 형성한 페이스트상 접합재 조성물층을 개재하여 적층한다. 적층된 파워 모듈용 기판과 히트싱크 사이에 개재되는 페이스트상 접합재 조성물층의 두께는 균일한 것이 바람직하다.
(가열 공정 (S03))
가열 공정 (S03) 에서는, 적층 공정 (S02) 에서 적층된 파워 모듈용 기판과 히트싱크의 적층체를 가열한다.
적층체의 가열 온도는, 150 ℃ 이상 300 ℃ 이하, 바람직하게는 170 ℃ 이상 270 ℃ 이하의 온도이다. 가열 온도가 150 ℃ 미만이면, 페이스트상 접합재 조성물층의 은 입자가 소결되기 어려워지고, 접합층을 형성할 수 없게 될 우려가 있다. 한편, 가열 온도가 300 ℃ 를 초과하면, 페이스트상 접합재 조성물층의 은 입자의 소결이 과잉으로 진행되어, 생성되는 접합층의 상대 밀도가 지나치게 높아질 우려가 있다.
적층체의 가열은, 적층 방향으로 1 ㎫ 이하의 압력하에서 실시한다. 적층체를 적층 방향으로 가압하지 않아도 된다. 적층 방향으로 1 ㎫ 를 초과하는 압력으로 가압한 상태에서 적층체를 가열하면, 은 입자의 소결이 과잉으로 진행되어, 생성되는 접합층의 상대 밀도가 지나치게 높아질 우려가 있다.
이와 같이 하여 적층체가 가열됨으로써, 페이스트상 접합재 조성물층 내의 은 입자가 소결되어, 본 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (10) 에 의하면, 파워 모듈용 기판 (20) 의 금속층 (23) 은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판으로 구성되어 있으므로, 회로층 (22) 에 실장된 반도체 소자 (3) 에서 발생한 열을 효율적으로 히트싱크 (40) 에 전달시킬 수 있다. 또, 접합층 (30) 은, 은 입자의 소결체로 구성되어 있으므로, 융점이 높고, 용융되기 어렵다. 또한, 접합층 (30) 을 구성하는 은 입자의 소결체는, 상대 밀도가 60 ％ 이상 90 ％ 이하의 범위 내에 있는 다공질체이고, 또한 두께가 10 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있으므로, 냉열 사이클 부하시의 파워 모듈용 기판 (20) 과 히트싱크 (40) 사이의 선팽창 계수의 차이에 의해 발생하는 내부 응력이 완화되고, 접합층 (30) 이 파손되기 어려워진다. 따라서, 본 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (10) 은, 냉열 사이클의 부하에 의한 열저항의 증가나 절연 기판 (21) 의 균열의 발생을 장기간에 걸쳐서 억제할 수 있다.
또, 본 실시형태인 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법에 의하면, 파워 모듈용 기판 (20) 과 히트싱크 (40) 를, 평균 입경이 0.1 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하의 범위 내에 있는 은 입자를 70 질량％ 이상 95 질량％ 이하의 범위 내의 양으로 포함하는 페이스트상 접합재 조성물의 층을 개재하여 적층한 적층체를, 적층 방향으로 1 ㎫ 이하의 압력하에서, 150 ℃ 이상 300 ℃ 이하의 온도에서 가열하므로, 은 입자를 과잉으로 치밀화시키지 않고, 또한 확실하게 소결시킬 수 있다. 이로써, 파워 모듈용 기판 (20) 의 금속층 (23) 과 히트싱크 (40) 사이에, 은 입자의 소결체로서 상대 밀도가 60 ％ 이상 90 ％ 이하의 범위 내에 있는 다공질체인 접합층 (30) 을 생성시키는 것이 가능해진다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것으로 한정되지는 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
예를 들어, 본 실시형태의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (10) 에서는, 회로층 (22) 에 반도체 소자 (3) 가 실장되어 있지만, 이것으로 한정되지는 않고, 예를 들어 LED 등의 반도체 소자 이외의 전자 부품이 실장되어 있어도 된다.
실시예
본 발명의 유효성을 확인하기 위해서 실시한 확인 실험의 결과에 대해 설명한다.
[본 발명예 1]
(1) 파워 모듈용 기판의 제작
절연 기판에 회로층과 금속층을 접합하여, 파워 모듈용 기판을 제작하였다. 절연 기판의 재질은 질화알루미늄 (AlN) 으로 하였다. 회로층의 재질은 무산소동으로 하였다. 금속층의 재질은 A1050 으로 하였다. 절연 기판의 사이즈는 40 ㎜ × 40 ㎜, 회로층의 사이즈는 37 ㎜ × 37 ㎜, 금속층의 사이즈는 37 ㎜ × 37 ㎜ 로 하였다.
절연 기판과 회로층은, Ag - 27.4 질량％ Cu - 2.0 질량％ Ti 로 이루어지는 활성 브레이징재 (brazing filler material) 를 사용하여, 10-3 ㎩ 의 진공 중에서, 850 ℃ 에서 10 분간 가열함으로써 접합하였다.
절연 기판과 금속층은, Al - 7.5 질량％ Si 로 이루어지는 브레이징재박 (두께 100 ㎛) 을 사용하여, 적층 방향으로 12 kgf/㎠ (1.2 ㎫) 로 가압한 상태에서, 10-3 ㎩ 의 진공 중에서, 650 ℃ 에서 30 분간 가열함으로써 접합하였다.
(2) 페이스트상 접합재 조성물의 조제
에틸렌글리콜 (EG) 과 평균 입경 0.5 ㎛ 의 은 분말을 준비하였다. EG 를 15 질량부, 은 분말을 85 질량부의 비율로, 혼련기를 사용하여 혼련하여 페이스트상 접합재 조성물을 조제하였다. 혼련기에 의한 혼련은, 2000 rpm 의 회전 속도로 5 분간, 3 회 실시하였다.
(3) 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판
히트싱크로서, 50 ㎜ × 60 ㎜ 이며 두께 5 ㎜ 의 A3003 합금제로, 내부에 냉각 매체의 유로를 갖는 알루미늄판을 준비하였다.
먼저, 상기 (1) 에서 제작한 파워 모듈용 기판의 금속층의 접합면과, 준비한 히트싱크의 천판부에 각각 은 도금을 실시하여, 두께가 0.1 ㎛ ∼ 0.5 ㎛ 가 되도록 은 도금층을 형성하였다. 다음으로, 히트싱크의 은 도금층의 표면에, (2) 에서 조제한 페이스트상 접합재 조성물을 도포하여, 페이스트상 접합재 조성물층을 형성하였다. 페이스트상 접합재 조성물층의 두께는, 가열에 의해 생성되는 접합층의 두께가 100 ㎛ 가 되는 두께로 하였다. 이어서, 히트싱크의 페이스트상 접합재 조성물층 상에, 파워 모듈용 기판의 금속층의 은 도금층을 탑재하여, 파워 모듈용 기판과 히트싱크를 적층하였다. 그리고, 파워 모듈용 기판과 히트싱크의 적층체를 가열기에 투입하고, 대기 분위기 중에서, 가열 온도가 250 ℃ 에서, 적층 방향에 대한 가압을 실시하지 않는 접합 조건에서 60 분간 가열하여, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 제조하였다.
[본 발명예 2 ∼ 9 및 비교예 1 ∼ 11]
파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층의 재질과 도금층의 종류, 페이스트상 접합재 조성물의 접합재의 종류, 용매와 접합재의 배합량, 히트싱크의 도금층의 종류를, 하기의 표 1 에 나타내는 바와 같이 변경하고, 파워 모듈용 기판과 히트싱크를 접합할 때의 접합 조건, 접합층의 두께를 하기의 표 2 에 나타내는 바와 같이 변경한 것 이외에는, 본 발명예 1 과 동일하게 하여 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 제조하였다. 또한, 비교예 11 의 페이스트상 접합재 조성물의 접합재로서 사용한 SAC 솔더는, Sn-Ag-Cu 계 솔더재이다.
[평가]
본 발명예 1 ∼ 9 및 비교예 1 ∼ 11 에서 제조한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 대해, 접합층의 두께와 상대 밀도를 하기 방법에 의해 측정하였다. 또 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 대해, 하기 방법에 의해 냉열 사이클 시험을 실시하고, 냉열 사이클 후의 기판의 균열과 냉열 사이클 전후의 열저항 변화율을 측정하였다. 그 결과를 표 2 에 나타낸다.
(접합층의 두께)
마이크로미터 (정밀 측장기) 를 사용하여, 파워 모듈용 기판과 히트싱크의 두께를 미리 측장하고, 접합 후의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 전체의 두께를 측장하였다. 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 전체의 두께로부터 미리 측장한 파워 모듈용 기판과 히트싱크의 두께를 공제한 값을, 접합층의 두께로 하였다.
(접합층의 상대 밀도)
히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판으로부터 접합층을 채취하였다. 채취한 접합층의 사이즈를 계측하고, 계측한 사이즈와 상기 방법에 의해 측정한 접합층의 두께로부터 채취한 접합층의 체적을 구하였다. 이어서, 그 채취한 접합층을, 질산을 사용하여 용해하였다. 얻어진 용해액의 체적과 은 농도로부터, 채취한 접합층에 포함되는 은의 질량을 구하였다.
그리고, 채취한 접합층의 체적과 은의 질량을 사용하여, 접합층의 상대 밀도를 하기의 식으로부터 산출하였다.
접합층의 상대 밀도 (％) = ｛(은의 질량/접합층의 체적)/은의 진밀도｝ × 100
(냉열 사이클 시험)
냉열 사이클 시험은, 하기의 조건에서 실시하였다. 3000 사이클 후의 절연 기판의 균열의 유무를 평가하였다. 그 결과를 표 2 에 나타낸다.
평가 장치 : 에스펙 주식회사 제조 TSB-51
액상 : 플루오리너트
온도 조건 : -40 ℃ × 5 분 ←→ 125 ℃ × 5 분
(열저항의 측정)
히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 회로층에 히터 칩을 장착하고, 히트싱크의 유로에 냉각 매체 [에틸렌글리콜 : 물 = 9 : 1 (질량비)] 를 유통시켰다. 이어서, 히터 칩을 100 W 의 전력으로 가열하였다. 열전쌍을 사용하여 히터 칩의 온도와, 히트싱크를 유통하는 냉각 매체의 온도를 측정하였다. 그리고, 히터 칩의 온도와 냉각 매체의 온도차를 전력으로 나눈 값을 열저항으로 하였다. 냉열 사이클 시험의 전후에서, 열저항의 변화율이 5 ％ 이하인 것을 「A」라고 하고, 5 ％ 를 초과한 것을 「B」라고 판정하였다. 그 판정 결과를 표 2 에 나타낸다. 또한, 측정 조건을 이하에 나타낸다.
온도차 : 80 ℃
온도 범위 : 55 ℃ ∼ 135 ℃ (IGBT 소자 내의 온도 센스 다이오드로 측정)
통전 시간 : 6 초
냉각 시간 : 4 초
(접합층의 구조)
히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을, 적층 방향을 따라 절단하고, 접합층의 절단면을, SEM (주사형 전자 현미경) 을 사용하여 관찰하였다.
도 3 에, 본 발명예 9 에서 제조한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 접합층의 단면의 SEM 사진을 나타낸다. 도 3 의 SEM 사진으로부터, 접합층은, 은 입자의 소결체로서, 다수의 기공을 갖는 다공질체인 것이 확인되었다. 또한, 본 발명예 1 ∼ 8 에서 제조한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 접합층에 대해서도 동일하게, 은 입자의 소결체로서, 다수의 기공을 갖는 다공질체인 것이 확인되었다.
Figure pct00001
Figure pct00002
은 입자의 평균 입경이 본 발명의 범위보다 작은 페이스트상 접합재 조성물을 사용하여 제조한 비교예 1 의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 접합층의 상대 밀도가 본 발명의 범위보다 높아졌다. 이것은, 은 입자가 미세하기 때문에, 은 입자의 소결이 진행되기 쉬워졌기 때문이라고 추찰된다. 한편, 은 입자의 평균 입경이 본 발명의 범위보다 큰 페이스트상 접합재 조성물을 사용하여 제조한 비교예 2 의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 접합층의 상대 밀도가 본 발명의 범위보다 낮아졌다. 이것은, 은 입자 사이의 간극이 커졌기 때문이라 추찰된다.
은 입자의 함유량이 본 발명의 범위보다 적은 페이스트상 접합재 조성물을 사용하여 제조한 비교예 3 의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 접합층의 상대 밀도가 본 발명의 범위보다 낮아졌다. 이것은, 상대적으로 용매의 양이 많아졌기 때문에, 은 입자 사이에 간극이 형성되기 쉬워졌기 때문이라고 추찰된다. 한편, 은 입자의 함유량이 본 발명의 범위보다 많은 페이스트상 접합재 조성물을 사용한 비교예 4 에서는, 페이스트상 접합재 조성물층을, 히트싱크의 천판부에 형성할 수 없었다. 이것은, 페이스트상 접합재 조성물의 점도가 지나치게 높아졌기 때문이라고 추찰된다.
적층체의 가열 온도가 본 발명의 범위보다 낮은 비교예 5 에서는, 접합층을 형성할 수 없었다. 이것은, 은 입자가 소결되지 않았기 때문이다. 한편, 적층체의 가열 온도가 본 발명의 범위보다 높은 접합 조건에서 제조한 비교예 6 의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 접합층의 상대 밀도가 본 발명의 범위보다 높아졌다. 이것은, 은 입자의 소결이 과잉으로 진행되었기 때문이라고 추찰된다. 또한, 적층 방향으로 본 발명의 범위보다 큰 압력을 부여하는 접합 조건에서 제조한 비교예 7 의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 접합층의 상대 밀도가 본 발명의 범위보다 높아졌다. 이것은, 은 입자끼리가 강하게 밀착된 상태에서 소결이 진행되었기 때문이라고 추찰된다.
이것에 대하여, 페이스트상 접합재 조성물의 은 입자의 평균 입경과 함유량이 본 발명의 범위가 되고, 적층체의 가열 온도와 적층 방향으로 부여하는 압력이 본 발명의 범위가 된 본 발명예 1 ∼ 9 에 있어서는, 얻어진 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 접합층의 상대 밀도가 본 발명의 범위에 있었다.
또, 접합층의 상대 밀도가 본 발명의 범위보다 큰 비교예 1, 6, 7 은, 열저항 변화율이 크고, 냉열 사이클 후의 절연 기판에 균열이 발생했다. 이것은, 접합층의 탄성률이 벌크의 은과 동일한 정도가 되고, 접합층에 의한 내부 응력의 완화 기능이 저하되고, 냉열 사이클 부하시에 접합층이 파손되었기 때문이라고 추찰된다. 한편, 접합층의 상대 밀도가 본 발명의 범위보다 낮은 비교예 2, 3 도 또한 열저항 변화율이 크고, 냉열 사이클 후의 절연 기판에 균열이 발생했다. 이것은, 접합층의 기계 강도가 저하되고, 냉열 사이클 부하시에 있어서, 접합층에 파손이 발생했기 때문이라고 추찰된다.
또, 접합층의 두께가 본 발명의 범위보다 얇은 비교예 8 은 열저항 변화율이 크고, 냉열 사이클 후의 절연 기판에 균열이 발생했다. 이것은, 접합층에 의한 내부 응력의 완화 기능이 저하되고, 냉열 사이클 부하시에 접합층이 파손되었기 때문이라고 추찰된다. 한편, 접합층의 두께가 본 발명의 범위보다 두꺼운 비교예 9 도 또한 열저항 변화율이 크고, 냉열 사이클 후의 절연 기판에 균열이 발생했다. 이것은, 접합층의 기계 강도가 저하되어, 냉열 사이클 부하시에 접합층이 파손되었기 때문이라고 추찰된다.
또, 은 입자 대신에 구리 입자를 사용한 비교예 10 에서는, 350 ℃ 의 가열 온도에서는 접합층을 형성할 수는 없었다. 한편, 은 입자 대신에 SAC 솔더 입자를 사용한 비교예 11 에서는, 접합층은 형성할 수 있었지만, 제조된 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 열저항 변화율이 크고, 냉열 사이클 후의 절연 기판에 균열이 발생했다. 이것은, 접합층 (SAC 솔더) 은 내열성이 낮고, 고온시에 기계적 강도가 저하된 결과, 냉열 사이클 부하시에 파워 모듈용 기판과 히트싱크 사이의 선팽창 계수의 차이에 의해 발생하는 내부 응력에 의해, 접합층이 파손되었기 때문이라고 추찰된다.
이에 대하여, 접합층의 상대 밀도와 두께가 본 발명의 범위가 된 본 발명예 1 ∼ 9 에 있어서는, 열저항 변화율이 작고, 냉열 사이클 후의 절연 기판에 균열이 발생하지 않았다.
이상의 것으로부터, 본 발명예에 의하면, 냉열 사이클의 부하에 의한 열저항의 증가나 절연 기판의 균열의 발생을 장기간에 걸쳐서 억제할 수 있는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공하는 것이 가능한 것이 확인되었다.
[본 발명예 10]
(1) 파워 모듈용 기판의 제작
절연 기판에 회로층과 금속층을 접합하여, 파워 모듈용 기판을 제작하였다. 절연 기판의 재질은 질화규소 (Si3N4) 로 하였다. 회로층의 재질은 무산소동으로 하였다. 금속층의 재질은 순도 99.9999 질량％ 이상의 고순도 구리 (6N-Cu) 로 하였다. 절연 기판의 사이즈는 40 ㎜ × 40 ㎜, 회로층의 사이즈는 37 ㎜ × 37 ㎜, 금속층의 사이즈는 37 ㎜ × 37 ㎜ 로 하였다.
회로층과 절연 기판 사이 및 절연 기판과 금속층 사이의 각각에, Ag - 27.4 질량％ Cu - 2.0 질량％ Ti 로 이루어지는 활성 브레이징재를 배치 형성하였다. 이어서, 회로층, 절연 기판, 금속층을 이 순서로 적층하고, 얻어진 적층체를 적층 방향으로 49 ㎪ (0.5 kgf/㎠) 의 압력으로 가압한 상태에서, 10-3 ㎩ 의 진공 중에서, 850 ℃ 에서 10 분간 가열하여 접합하여, 파워 모듈용 기판을 제작하였다.
(2) 페이스트상 접합재 조성물의 조제
본 발명예 1 과 동일하게 하여, 에틸렌글리콜 (EG) 15 질량부와, 평균 입경 0.5 ㎛ 의 은 분말 85 질량부를 포함하는 페이스트상 접합재 조성물을 조제하였다.
(3) 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조
히트싱크로서, 50 ㎜ × 60 ㎜ × 5 mmt 의 A3003 합금제이며, 내부에 냉각 매체가 유로를 갖는 알루미늄판을 준비하였다.
먼저, 상기 (1) 에서 제작한 파워 모듈용 기판의 금속층의 접합면과, 준비한 히트싱크의 천판부에 각각 은 도금을 실시하여, 두께가 0.1 ∼ 0.5 ㎛ 가 되도록 은 도금층을 형성하였다. 다음으로, 히트싱크의 은 도금층의 표면에, (2) 에서 조제한 페이스트상 접합재 조성물을 도포하여, 페이스트상 접합재 조성물층을 형성하였다. 페이스트상 접합재 조성물층의 두께는, 가열에 의해 생성되는 접합층의 두께가 50 ㎛ 가 되는 두께로 하였다. 이어서, 히트싱크의 페이스트상 접합재 조성물층 상에, 파워 모듈용 기판의 금속층의 은 도금층을 탑재하여, 파워 모듈용 기판과 히트싱크를 적층하였다. 그리고, 파워 모듈용 기판과 히트싱크의 적층체를 가열기에 투입하고, 대기 분위기 중에서, 가열 온도가 200 ℃ 에서, 적층 방향에 대한 가압을 실시하지 않는 접합 조건에서 60 분간 가열하여, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 제조하였다.
[본 발명예 11 ∼ 18 및 비교예 12 ∼ 21]
파워 모듈용 기판의 회로층의 재질, 페이스트상 접합재 조성물의 접합재의 종류, 용매와 접합재의 배합량, 히트싱크의 도금층의 종류를, 하기의 표 3 에 나타내는 바와 같이 변경하고, 파워 모듈용 기판과 히트싱크를 접합할 때의 접합 조건, 접합층의 두께를 하기의 표 4 에 나타내는 바와 같이 변경한 것 이외에는, 본 발명예 10 과 동일하게 하여 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 제조하였다. 또한, 본 발명예 11 에서는, 금속층에 도금층을 형성하지 않았다.
[평가]
본 발명예 10 ∼ 18 및 비교예 12 ∼ 24 에서 제조한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 대해, 접합층의 두께와 상대 밀도, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 냉열 사이클 시험 후의 열저항 변화율과 기판 균열을, 본 발명예 1 과 동일하게 하여 측정하였다. 그 결과를 표 4 에 나타낸다.
또, 본 발명예 10 ∼ 18 에서 제조한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 대해서는 접합층의 구조를, 본 발명예 1 과 동일하게 하여 관찰하였다.
도 4 에, 본 발명예 17 에서 제조한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 접합층의 단면의 SEM 사진을 나타낸다. 도 4 의 SEM 사진으로부터, 접합층은, 은 입자의 소결체로서, 다수의 기공을 갖는 다공질체인 것이 확인되었다. 또한, 본 발명예 10 ∼ 16, 18 에서 제조한 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 접합층에 대해서도 동일하게, 은 입자의 소결체로서, 다수의 기공을 갖는 다공질체인 것이 확인되었다.
Figure pct00003
Figure pct00004
은 입자의 평균 입경이 본 발명의 범위보다 작은 페이스트상 접합재 조성물을 사용하여 제조한 비교예 12 의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 접합층의 상대 밀도가 본 발명의 범위보다 높아졌다. 이것은, 은 입자가 미세하기 때문에, 은 입자의 소결이 진행되기 쉬워졌기 때문이라고 추찰된다. 한편, 은 입자의 평균 입경이 본 발명의 범위보다 큰 페이스트상 접합재 조성물을 사용하여 제조한 비교예 13 의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 접합층의 상대 밀도가 본 발명의 범위보다 낮아졌다. 이것은, 은 입자 사이의 간극이 커졌기 때문이라고 추찰된다.
은 입자의 함유량이 본 발명의 범위보다 적은 페이스트상 접합재 조성물을 사용하여 제조한 비교예 14 의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 접합층의 상대 밀도가 본 발명의 범위보다 낮아졌다. 이것은, 상대적으로 용매의 양이 많아졌기 때문에, 은 입자 사이에 간극이 형성되기 쉬워졌기 때문이라고 추찰된다.
적층체의 가열 온도가 본 발명의 범위보다 높은 접합 조건에서 제조한 비교예 15 의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 접합층의 상대 밀도가 본 발명의 범위보다 높아졌다. 이것은, 은 입자의 소결이 과잉으로 진행되었기 때문이라고 추찰된다. 또한, 적층 방향으로 본 발명의 범위보다 큰 압력을 부여하는 접합 조건에서 제조한 비교예 16 의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 접합층의 상대 밀도가 본 발명의 범위보다 높아졌다. 이것은, 은 입자끼리가 강하게 밀착된 상태에서 소결이 진행되었기 때문이라고 추찰된다.
이에 대하여, 페이스트상 접합재 조성물의 은 입자의 평균 입경과 함유량이 본 발명의 범위가 되고, 적층체의 가열 온도와 적층 방향으로 부여하는 압력이 본 발명의 범위가 된 본 발명예 10 ∼ 18 에 있어서는, 얻어진 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 접합층의 상대 밀도가 본 발명의 범위에 있었다.
또, 접합층의 상대 밀도가 본 발명의 범위보다 큰 비교예 12, 15, 16 은, 열저항 변화율이 크고, 냉열 사이클 후의 절연 기판에 균열이 발생했다. 이것은, 접합층의 탄성률이 벌크의 은과 동일한 정도가 되고, 접합층에 의한 내부 응력의 완화 기능이 저하되고, 냉열 사이클 부하시에 접합층이 파손되었기 때문이라고 추찰된다. 한편, 접합층의 상대 밀도가 본 발명의 범위보다 낮은 비교예 13, 14 도 또한 열저항 변화율이 크고, 냉열 사이클 후의 절연 기판에 균열이 발생했다. 이것은, 접합층의 기계 강도가 저하되고, 냉열 사이클 부하시에 있어서, 접합층에 파손이 발생했기 때문이라고 추찰된다.
또, 접합층의 두께가 본 발명의 범위보다 얇은 비교예 17 은 열저항 변화율이 크고, 냉열 사이클 후의 절연 기판에 균열이 발생했다. 이것은, 접합층에 의한 내부 응력의 완화 기능이 저하되고, 냉열 사이클 부하시에 접합층이 파손되었기 때문이라고 추찰된다. 한편, 접합층의 두께가 본 발명의 범위보다 두꺼운 비교예 18 도 또한 열저항 변화율이 크고, 냉열 사이클 후의 절연 기판에 균열이 발생했다. 이것은, 접합층의 기계 강도가 저하되어, 냉열 사이클 부하시에 접합층이 파손되었기 때문이라고 추찰된다.
은 입자 대신에 SAC 솔더 입자를 사용한 비교예 19 에서는, 제조된 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 열저항 변화율이 크고, 냉열 사이클 후의 절연 기판에 균열이 발생했다. 이것은, 접합층 (SAC 솔더) 은 내열성이 낮고, 고온시에 기계적 강도가 저하된 결과, 냉열 사이클 부하시에 파워 모듈용 기판과 히트싱크 사이의 선팽창 계수의 차이에 의해 발생하는 내부 응력에 의해, 접합층이 파손되었기 때문이라고 추찰된다.
또, 가열 온도를 140 ℃ 로 한 비교예 20 에서는, 냉열 사이클 후의 절연 기판에 균열은 발생하지 않았지만, 열저항 변화율이 커졌다. 이것은, 접합층의 상대 밀도가 58 ％ 로 약간 낮고, 접합층의 기계적 강도가 약간 낮기 때문에, 냉열 사이클 부하시에, 접합층에 부분적인 균열이 발생하고, 접합층 전체로는 파손되지 않았지만, 접합층의 열저항이 상승했다고 추찰된다. 한편, 가열 온도를 320 ℃ 로 한 비교예 21 에서는, 열저항 변화율은 작아졌지만, 냉열 사이클 후의 절연 기판에 균열이 발생했다. 이것은, 접합층의 상대 밀도가 92 ％ 로 약간 높고, 접합층에 의한 내부 응력의 완화 기능이 약간 저하되었기 때문에, 접합층에 균열이나 파손은 발생하지 않았지만, 파워 모듈용 기판과 히트싱크 사이의 선팽창 계수의 차이에 의해 발생하는 내부 응력을 완화하는 작용이 저하되고, 기판이 균열되었다고 추찰된다.
이에 대하여, 접합층의 상대 밀도와 두께가 본 발명의 범위가 된 본 발명예 10 ∼ 18 에 있어서는, 열저항 변화율이 작고, 냉열 사이클 후의 절연 기판에 균열이 발생하지 않았다.
이상의 것으로부터, 본 발명예에 의하면, 냉열 사이클의 부하에 의한 열저항의 증가나 절연 기판의 균열의 발생을 장기간에 걸쳐서 억제할 수 있는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공하는 것이 가능한 것이 확인되었다.
산업상 이용가능성
본 발명에 의하면, 냉열 사이클의 부하에 의한 열저항의 증가나 절연 기판의 균열의 발생을 장기간에 걸쳐서 억제할 수 있는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공하는 것이 가능해진다.
1 : 파워 모듈
2 : 솔더층
3 : 반도체 소자
10 : 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판
20 : 파워 모듈용 기판
21 : 절연 기판
22 : 회로층
22A : 탑재면
23 : 금속층
23A : 접합면
30 : 접합층
40 : 히트싱크
41 : 천판부
42 : 유로

Claims (4)

  1. 절연 기판과, 그 절연 기판의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 절연 기판의 타방의 면에 형성된 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판과, 상기 파워 모듈용 기판의 상기 금속층의 상기 절연 기판과는 반대측의 면에 접합층을 개재하여 접합된 히트싱크를 구비하여 이루어지는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판으로서,
    상기 접합층은, 은 입자의 소결체로서, 상대 밀도가 60 ％ 이상 90 ％ 이하의 범위 내에 있는 다공질체이고, 두께가 10 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층이, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판, 혹은 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속층이, 상기 알루미늄판으로 구성되고, 상기 알루미늄판의 상기 절연 기판과는 반대측의 면에 은 도금층 또는 금 도금층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
  4. 제 1 항에 기재된 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    절연 기판과, 그 절연 기판의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 절연 기판의 타방의 면에 형성된 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판의 상기 금속층의 상기 절연 기판과는 반대측의 면 및 히트싱크 중의 적어도 일방의 표면에, 평균 입경이 0.1 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하의 범위 내에 있는 은 입자를 70 질량％ 이상 95 질량％ 이하의 범위 내의 양으로 포함하는 페이스트상 접합재 조성물의 층을 형성하는 페이스트상 접합재 조성물층 형성 공정과,
    상기 파워 모듈용 기판과 상기 히트싱크를, 상기 페이스트상 접합재 조성물의 층을 개재하여 적층하는 적층 공정과,
    적층된 상기 파워 모듈용 기판과 상기 히트싱크를, 적층 방향으로 1 ㎫ 이하의 압력하에서, 150 ℃ 이상 300 ℃ 이하의 온도에서 가열하는 가열 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
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