KR20200111178A - 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및, 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법 - Google Patents

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KR20200111178A
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노부유키 데라사키
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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재 (12) 와, 알루미늄 산화물로 이루어지는 세라믹스 부재 (11) 가 접합되어 이루어지는 구리/세라믹스 접합체로서, 구리 부재 (12) 와 세라믹스 부재 (11) 사이에 있어서는, 세라믹스 부재 (11) 측에 산화마그네슘층 (31) 이 형성되고, 이 산화마그네슘층 (31) 과 구리 부재 (12) 사이에 Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층 (32) 이 형성되어 있고, Mg 고용층 (32) 에는, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속이 존재한다.

Description

구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및, 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법
이 발명은, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 알루미늄 산화물로 이루어지는 세라믹스 부재가 접합되어 이루어지는 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및, 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은, 2018년 1월 25일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2018-010965호, 및, 2018년 12월 4일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2018-227472호에 대하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
파워 모듈, LED 모듈 및 열전 모듈에 있어서는, 절연층의 일방의 면에 도전 재료로 이루어지는 회로층을 형성한 절연 회로 기판에, 파워 반도체 소자, LED 소자 및 열전 소자가 접합된 구조로 되어 있다.
예를 들어, 풍력 발전, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등을 제어하기 위해서 사용되는 대전력 제어용의 파워 반도체 소자는, 동작시의 발열량이 많은 것으로부터, 이것을 탑재하는 기판으로는, 예를 들어 알루미늄 산화물 등으로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 도전성이 우수한 금속판을 접합하여 형성한 회로층을 구비한 절연 회로 기판이, 종래부터 널리 사용되고 있다. 절연 회로 기판으로는, 세라믹스 기판의 타방의 면에 금속판을 접합하여 금속층을 형성한 것도 제공되어 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에는, 회로층 및 금속층을 구성하는 제 1 금속판 및 제 2 금속판을 구리판으로 하고, 이 구리판을 DBC 법에 의해 세라믹스 기판에 직접 접합한 절연 회로 기판이 제안되어 있다. 이 DBC 법에 있어서는, 구리와 구리 산화물의 공정 반응을 이용하여, 구리판과 세라믹스 기판의 계면에 액상을 발생시킴으로써, 구리판과 세라믹스 기판을 접합하고 있다.
또한, 특허문헌 2 에는, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, 구리판을 접합함으로써 회로층 및 금속층을 형성한 절연 회로 기판이 제안되어 있다. 이 절연 회로 기판에 있어서는, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, Ag-Cu-Ti 계 브레이징재를 개재시켜 구리판을 배치하고, 가열 처리를 실시함으로써 구리판이 접합되어 있다 (이른바 활성 금속 브레이징법). 이 활성 금속 브레이징법에서는, 활성 금속인 Ti 가 함유된 브레이징재를 사용하고 있기 때문에, 용융된 브레이징재와 세라믹스 기판의 젖음성이 향상되어, 세라믹스 기판과 구리판이 양호하게 접합되게 된다.
또한, 특허문헌 3 에는, 고온의 질소 가스 분위기하에서 구리판과 세라믹스 기판을 접합할 때에 사용되는 접합용 브레이징재로서, Cu-Mg-Ti 합금으로 이루어지는 분말을 함유하는 페이스트가 제안되어 있다. 이 특허문헌 3 에 있어서는, 질소 가스 분위기하에서 560 ∼ 800 ℃ 에서 가열함으로써 접합하는 구성으로 되어 있고, Cu-Mg-Ti 합금 중의 Mg 는 승화하여 접합 계면에는 잔존하지 않고, 또한, 질화티탄 (TiN) 이 실질적으로 형성되지 않는 것으로 되어 있다.
일본 공개특허공보 평04-162756호 일본 특허 제3211856호 일본 특허 제4375730호
그러나, 특허문헌 1 에 개시되어 있는 바와 같이, DBC 법에 의해 세라믹스 기판과 구리판을 접합하는 경우에는, 접합 온도를 1065 ℃ 이상 (구리와 구리 산화물의 공정 (共晶) 점 온도 이상) 으로 할 필요가 있는 것으로부터, 접합시에 세라믹스 기판이 열화하게 될 우려가 있었다.
또한, 특허문헌 2 에 개시되어 있는 바와 같이, 활성 금속 브레이징법에 의해 세라믹스 기판과 구리판을 접합하는 경우에는, 브레이징재가 Ag 를 함유하고 있고, 접합 계면에 Ag 가 존재하는 것으로부터, 마이그레이션이 발생하기 쉬워, 고내압 용도에는 사용할 수 없었다. 또한, 접합 온도가 900 ℃ 로 비교적 고온으로 되어 있는 것으로부터, 역시, 세라믹스 기판이 열화하게 된다는 문제가 있었다.
또한, 특허문헌 3 에 개시되어 있는 바와 같이, Cu-Mg-Ti 합금으로 이루어지는 분말을 함유하는 페이스트로 이루어지는 접합용 브레이징재를 사용하여 질소 가스 분위기하에서 접합한 경우에는, 접합 계면에 가스가 잔존하여, 부분 방전이 발생하기 쉽다는 등의 문제가 있었다. 또한, 합금 분말을 사용하고 있는 것으로부터, 합금 분말의 조성 편차에 따라 용융 상황이 불균일해져, 계면 반응이 불충분한 영역이 국소적으로 형성될 우려가 있었다. 또한, 페이스트에 포함되는 유기물이 접합 계면에 잔존하여, 접합이 불충분해질 우려가 있었다.
이 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와 알루미늄 산화물로 이루어지는 세라믹스 부재가 확실하게 접합되어, 내마이그레이션성이 우수한 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및, 상기 서술한 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 과제를 해결하여, 상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 구리/세라믹스 접합체는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 알루미늄 산화물로 이루어지는 세라믹스 부재가 접합되어 이루어지는 구리/세라믹스 접합체로서, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에 있어서는, 상기 세라믹스 부재측에 산화마그네슘층이 형성되고, 이 산화마그네슘층과 상기 구리 부재 사이에 Cu 의 모상 (母相) 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있고, 상기 Mg 고용층에는, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속이 존재하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 알루미늄 산화물로 이루어지는 세라믹스 부재 사이에 있어서, 상기 세라믹스 부재측에 산화마그네슘층이 형성되어 있다. 이 산화마그네슘층은, 세라믹스 부재와 구리 부재 사이에 배치 형성된 마그네슘 (Mg) 과 세라믹스 부재 중의 산소 (O) 가 반응함으로써 형성되는 것으로, 세라믹스 부재가 충분히 반응하고 있게 된다.
그리고, 산화마그네슘층과 상기 구리 부재 사이에, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있고, 이 Mg 고용층에 Cu 와 Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속이 존재하기 때문에, 세라믹스 부재와 구리 부재 사이에 배치 형성된 Mg 가 구리 부재측에 충분히 확산되어 있고, 또한, 세라믹스 부재와 구리 부재 사이에 배치 형성된 활성 금속과 구리 부재 중의 Cu 가 충분히 반응하고 있게 된다.
따라서, 구리 부재와 세라믹스 부재의 접합 계면에 있어서 계면 반응이 충분히 진행되어 있어, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합된 구리/세라믹스 접합체를 얻을 수 있다. 또한, 접합 계면에 Ag 가 존재하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성도 우수하다.
본 발명의 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 Mg 고용층에는, Cu 와 상기 활성 금속을 포함하는 금속간 화합물상이 분산되어 있는 구성으로 해도 된다.
활성 금속으로서 Ti, Zr, Hf 를 포함하는 경우에는, Mg 고용층에 있어서 활성 금속은, Cu 와 상기 활성 금속의 금속간 화합물상으로서 존재한다. 이 때문에, Mg 고용층에 Cu 와 상기 활성 금속의 금속간 화합물상으로서 존재함으로써, 세라믹스 부재와 구리 부재 사이에 배치 형성된 Mg 가 구리 부재측으로 충분히 확산되어, Cu 와 활성 금속이 충분히 반응하고 있어, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합된 구리/세라믹스 접합체를 얻을 수 있다.
본 발명의 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 산화마그네슘층의 내부에, Cu 입자가 분산되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 구리 부재의 Cu 가 세라믹스 부재와 충분히 반응하고 있게 되어, 구리 부재와 세라믹스 부재가 강고하게 접합된 구리/세라믹스 접합체를 얻는 것이 가능해진다. Cu 입자는, Cu 단체 또는 Cu 를 함유하는 금속간 화합물로, 상기 산화마그네슘층이 형성될 때에, 액상 중에 존재하고 있던 Cu 가 석출됨으로써 생성되어 있다.
본 발명의 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 세라믹스 부재와 상기 구리 부재 사이에 있어서, 상기 세라믹스 부재의 접합면으로부터 상기 구리 부재측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 취약한 Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적률이 15 ％ 이하로 제한되어 있기 때문에, 예를 들어 초음파 접합 등을 실시한 경우에도, 접합 계면에 있어서의 균열 등의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
상기 서술한 Cu-Mg 금속간 화합물상으로는, 예를 들어, Cu2Mg 상, CuMg2 상 등을 들 수 있다.
본 발명의 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 산화마그네슘층의 두께가 50 ㎚ 이상 1000 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 세라믹스 부재측에 형성된 산화마그네슘층의 두께가 50 ㎚ 이상 1000 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있기 때문에, 냉열 사이클을 부하했을 때의 세라믹스 부재의 균열의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 절연 회로 기판은, 알루미늄 산화물로 이루어지는 세라믹스 기판의 표면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합되어 이루어지는 절연 회로 기판으로서, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판 사이에 있어서는, 상기 세라믹스 기판측에 산화마그네슘층이 형성되고, 이 산화마그네슘층과 상기 구리판 사이에 Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있고, 상기 Mg 고용층에는, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속이 존재하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 절연 회로 기판에 있어서는, 구리판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합됨과 함께, 내마이그레이션성이 우수하여, 고내압 조건하에 있어서도 신뢰성 높게 사용할 수 있다.
본 발명의 절연 회로 기판에 있어서는, 상기 Mg 고용층에는, Cu 와 상기 활성 금속을 포함하는 금속간 화합물상이 분산되어 있는 구성으로 해도 된다.
활성 금속으로서 Ti, Zr, Hf 를 포함하는 경우에는, Mg 고용층에 있어서 활성 금속은, Cu 와 상기 활성 금속의 금속간 화합물상으로서 존재한다. 이 때문에, Mg 고용층에 Cu 와 상기 활성 금속의 금속간 화합물상으로서 존재함으로써, 구리판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합된 절연 회로 기판을 얻을 수 있다.
본 발명의 절연 회로 기판에 있어서는, 상기 산화마그네슘층의 내부에, Cu 입자가 분산되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 구리판의 Cu 가 세라믹스 기판과 충분히 반응하고 있게 되어, 구리판과 세라믹스 기판이 강고하게 접합된 절연 회로 기판을 얻는 것이 가능해진다. Cu 입자는, Cu 단체 또는 Cu 를 함유하는 금속간 화합물로, 상기 산화마그네슘층이 형성될 때에, 액상 중에 존재하고 있던 Cu 가 석출됨으로써 생성되어 있다.
본 발명의 절연 회로 기판에 있어서는, 상기 세라믹스 기판과 상기 구리판 사이에 있어서, 상기 세라믹스 기판의 접합면으로부터 상기 구리판측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 취약한 Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적률이 15 ％ 이하로 제한되어 있기 때문에, 예를 들어 초음파 접합 등을 실시한 경우에도, 접합 계면에 있어서의 균열 등의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
상기 서술한 Cu-Mg 금속간 화합물상으로는, 예를 들어, Cu2Mg 상, CuMg2 상 등을 들 수 있다.
본 발명의 절연 회로 기판에 있어서는, 상기 산화마그네슘층의 두께가 50 ㎚ 이상 1000 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 세라믹스 기판측에 형성된 산화마그네슘층의 두께가 50 ㎚ 이상 1000 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있기 때문에, 냉열 사이클을 부하했을 때의 세라믹스 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법은, 상기 서술한 구리/세라믹스 접합체를 제조하는 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법으로서, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속의 단체 및 Mg 단체를 배치하는 활성 금속 및 Mg 배치 공정과, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를, 활성 금속 및 Mg 를 개재하여 적층하는 적층 공정과, 활성 금속 및 Mg 를 개재하여 적층된 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정을 구비하고 있고, 상기 활성 금속 및 Mg 배치 공정에서는, 활성 금속량을 0.4 μ㏖/㎠ 이상 47.0 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 7.0 μ㏖/㎠ 이상 143.2 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내로 하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법에 의하면, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에 활성 금속의 단체 및 Mg 단체를 배치하고, 이들을 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에서 가열 처리하기 때문에, 접합 계면에 가스나 유기물의 잔류물 등이 잔존하는 경우가 없다. 또한, 활성 금속의 단체 및 Mg 단체를 배치하고 있기 때문에, 조성의 편차가 없고, 균일하게 액상이 발생하게 된다.
그리고, 활성 금속 및 Mg 배치 공정에서는, 활성 금속량을 0.4 μ㏖/㎠ 이상 47.0 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 7.0 μ㏖/㎠ 이상 143.2 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있기 때문에, 계면 반응에 필요한 액상을 충분히 얻을 수 있음과 함께, 세라믹스 부재의 필요 이상의 반응을 억제할 수 있다.
따라서, 구리 부재와 세라믹스 부재가 확실하게 접합된 구리/세라믹스 접합체를 얻을 수 있다. 또한, 접합에 Ag 를 사용하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성이 우수한 구리/세라믹스 접합체를 얻을 수 있다.
본 발명의 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법에 있어서는, 상기 접합 공정에 있어서의 가압 하중이 0.049 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하의 범위 내가 되고, 상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도는, Cu 와 Mg 가 접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 500 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내, Cu 와 Mg 가 비접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 670 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 접합 공정에 있어서의 가압 하중이 0.049 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하의 범위 내로 되어 있기 때문에, 세라믹스 부재와 구리 부재와 활성 금속 및 Mg 를 밀착시킬 수 있어, 가열시에 이들의 계면 반응을 촉진시킬 수 있다.
상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도가, Cu 와 Mg 가 접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 Cu 와 Mg 의 공정 온도보다 높은 500 ℃ 이상으로 하고, Cu 와 Mg 가 비접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 Mg 의 융점보다 높은 670 ℃ 이상으로 하고 있기 때문에, 접합 계면에 있어서 충분히 액상을 발생시킬 수 있다.
상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도가 850 ℃ 이하로 되어 있기 때문에, Cu 와 활성 금속의 공정 반응의 발생을 억제할 수 있고, 액상이 과잉으로 생성되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 세라믹스 부재에 대한 열 부하가 작아져, 세라믹스 부재의 열화를 억제할 수 있다.
본 발명의 절연 회로 기판의 제조 방법은, 상기 서술한 절연 회로 기판을 제조하는 절연 회로 기판의 제조 방법으로서, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판 사이에, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속의 단체 및 Mg 단체를 배치하는 활성 금속 및 Mg 배치 공정과, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판을, 활성 금속 및 Mg 를 개재하여 적층하는 적층 공정과, 활성 금속 및 Mg 를 개재하여 적층된 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판을 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정을 구비하고 있고, 상기 활성 금속 및 Mg 배치 공정에서는, 활성 금속량을 0.4 μ㏖/㎠ 이상 47.0 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 7.0 μ㏖/㎠ 이상 143.2 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내로 하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 절연 회로 기판의 제조 방법에 의하면, 구리판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합된 절연 회로 기판을 얻을 수 있다. 또한, 접합에 Ag 를 사용하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성이 우수한 절연 회로 기판을 얻을 수 있다.
본 발명의 절연 회로 기판의 제조 방법에 있어서는, 상기 접합 공정에 있어서의 가압 하중이 0.049 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하의 범위 내가 되고, 상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도는, Cu 와 Mg 가 접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 500 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내, Cu 와 Mg 가 비접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 670 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 접합 공정에 있어서의 가압 하중이 0.049 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하의 범위 내로 되어 있기 때문에, 세라믹스 기판과 구리판과 활성 금속 및 Mg 를 밀착시킬 수 있고, 가열시에 이들의 계면 반응을 촉진시킬 수 있다.
상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도가, Cu 와 Mg 가 접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 Cu 와 Mg 의 공정 온도보다 높은 500 ℃ 이상으로 하고, Cu 와 Mg 가 비접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 Mg 의 융점보다 높은 670 ℃ 이상으로 하고 있기 때문에, 접합 계면에 있어서 충분히 액상을 발생시킬 수 있다.
상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도가 850 ℃ 이하로 되어 있기 때문에, Cu 와 활성 금속의 공정 반응의 발생을 억제할 수 있고, 액상이 과잉으로 생성되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 세라믹스 기판에 대한 열 부하가 작아져, 세라믹스 기판의 열화를 억제할 수 있다.
본 발명에 의하면, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와 알루미늄 산화물로 이루어지는 세라믹스 부재가 확실하게 접합되고, 내마이그레이션성이 우수한 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및, 상기 서술한 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법을 제공하는 것이 가능해진다.
도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태인 절연 회로 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는, 본 발명의 제 1 실시형태인 절연 회로 기판의 회로층 (구리 부재) 및 금속층 (구리 부재) 과 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) 의 접합 계면의 모식도이다.
도 3 은, 본 발명의 제 1 실시형태인 절연 회로 기판의 제조 방법을 나타내는 플로도이다.
도 4 는, 본 발명의 제 1 실시형태인 절연 회로 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 5 는, 본 발명의 제 2 실시형태인 절연 회로 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 6 은, 본 발명의 제 2 실시형태인 절연 회로 기판의 회로층 (구리 부재) 과 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) 의 접합 계면의 모식도이다.
도 7 은, 본 발명의 제 2 실시형태인 절연 회로 기판의 제조 방법을 나타내는 플로도이다.
도 8 은, 본 발명의 제 2 실시형태인 절연 회로 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 9 는, 본 발명예 3 의 구리/세라믹스 접합체에 있어서의 구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면의 관찰 결과이다.
도 10 은, 실시예 2 에 있어서의 풀 강도의 측정 방법을 나타내는 설명도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
(제 1 실시형태)
본 발명의 제 1 실시형태에 대하여, 도 1 내지 도 4 를 참조하여 설명한다.
본 실시형태에 관련된 구리/세라믹스 접합체는, 세라믹스 부재인 세라믹스 기판 (11) 과, 구리 부재인 구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 이 접합됨으로써 구성된 절연 회로 기판 (10) 으로 되어 있다.
도 1 에 본 발명의 제 1 실시형태인 절연 회로 기판 (10) 및 이 절연 회로 기판 (10) 을 사용한 파워 모듈 (1) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (1) 은, 절연 회로 기판 (10) 과, 이 절연 회로 기판 (10) 의 일방측 (도 1 에 있어서 상측) 에 제 1 솔더층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 절연 회로 기판 (10) 의 타방측 (도 1 에 있어서 하측) 에 제 2 솔더층 (8) 을 개재하여 접합된 히트 싱크 (51) 를 구비하고 있다.
절연 회로 기판 (10) 은, 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (12) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 1 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (13) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 회로층 (12) 과 금속층 (13) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 본 실시형태에서는, 알루미늄 산화물의 1 종인 알루미나로 구성되어 있다. 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.635 ㎜ 가, 바람직하다.
회로층 (12) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (22) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 을 구성하는 구리판 (22) 으로서, 무산소동의 압연판이 이용되어 있다. 이 회로층 (12) 에는, 회로 패턴이 형성되어 있고, 그 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 이, 반도체 소자 (3) 가 탑재되는 탑재면이 되어 있다. 회로층 (12) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 2.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 회로층 (12) 의 두께는 0.6 ㎜ 가 바람직하다.
금속층 (13) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (23) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 을 구성하는 구리판 (23) 으로서, 무산소동의 압연판이 이용되어 있다. 금속층 (13) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 2.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 금속층 (13) 의 두께는 0.6 ㎜ 가 바람직하다.
히트 싱크 (51) 는, 전술한 절연 회로 기판 (10) 을 냉각시키기 위한 것으로, 본 실시형태에 있어서는, 열 전도성이 양호한 재질로 구성된 방열판으로 되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 히트 싱크 (51) 는, 열 전도성이 우수한 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있다. 히트 싱크 (51) 와 절연 회로 기판 (10) 의 금속층 (13) 은, 제 2 솔더층 (8) 을 개재하여 접합되어 있다.
세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (구리판 (22)), 및, 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) (구리판 (23)) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속으로 이루어지는 활성 금속막 (24) 및 Mg 막 (25) 을 개재하여 접합되어 있다. 본 실시형태에서는, 활성 금속으로서 Ti 를 사용하고 있고, 활성 금속막 (24) 은 Ti 막으로 되어 있다.
그리고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (구리판 (22)) 의 접합 계면 및 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) (구리판 (23)) 의 접합 계면에 있어서는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 측에 형성된 산화마그네슘층 (31) 과, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층 (32) 이 적층된 구조로 되어 있다.
Mg 고용층 (32) 에는, 상기 서술한 활성 금속이 포함되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, Mg 고용층 (32) 에는, Cu 와 활성 금속을 포함하는 금속간 화합물상 (33) 이 분산되어 있다. 본 실시형태에서는, 활성 금속으로서 Ti 를 사용하고 있고, Cu 와 Ti 를 포함하는 금속간 화합물상 (33) 을 구성하는 금속간 화합물로는, 예를 들어 Cu4Ti, Cu3Ti2, Cu4Ti3, CuTi, CuTi2, CuTi3 등을 들 수 있다.
이 Mg 고용층 (32) 에 있어서의 Mg 의 함유량은, 0.01 원자％ 이상 3 원자％ 이하의 범위 내로 되어 있다. Mg 고용층 (32) 의 두께는, 0.1 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다.
본 실시형태에서는, 산화마그네슘층 (31) 의 내부에, Cu 입자 (35) 가 분산되어 있다.
산화마그네슘층 (31) 내에 분산되는 Cu 입자 (35) 의 입경이 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, 산화마그네슘층 (31) 중 세라믹스 기판 (11) 과의 계면으로부터 산화마그네슘층 (31) 의 두께의 20 ％ 까지의 계면 근방 영역에 있어서의 Cu 농도가 0.3 원자％ 이상 15 원자％ 이하의 범위 내로 되어 있다.
산화마그네슘층 (31) 의 두께는, 50 ㎚ 이상 1000 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있다. 산화마그네슘층 (31) 의 두께는, 50 ㎚ 이상 400 ㎚ 이하의 범위 내로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속층 (13)) 사이에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면으로부터 회로층 (12) (금속층 (13)) 측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있다. 상기 서술한 Cu-Mg 금속간 화합물상으로는, 예를 들어 Cu2Mg 상, CuMg2 상 등을 들 수 있다.
본 실시형태에서는, 상기 서술한 Cu-Mg 금속간 화합물상은, 전자선 마이크로 애널라이저 (니혼 전자 주식회사 제조 JXA-8539F) 를 사용하여, 배율 2000 배, 가속 전압 15 ㎸ 의 조건으로 접합 계면을 포함하는 영역 (400 ㎛ × 600 ㎛) 의 Mg 의 원소 MAP 을 취득하고, Mg 의 존재가 확인된 영역 내에서의 정량 분석의 5 점 평균으로, Cu 농도가 5 원자％ 이상, 또한, Mg 농도가 30 원자％ 이상 70 원자％ 이하를 만족한 영역을 Cu-Mg 금속간 화합물상으로 하였다.
다음으로, 상기 서술한 본 실시형태인 절연 회로 기판 (10) 의 제조 방법에 대하여, 도 3 및 도 4 를 참조하여 설명한다.
도 4 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (12) 이 되는 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 사이, 및, 금속층 (13) 이 되는 구리판 (23) 과 세라믹스 기판 (11) 사이에, 각각 Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속의 단체 (본 실시형태에서는 Ti 단체) 및 Mg 단체를 배치한다 (활성 금속 및 Mg 배치 공정 S01). 본 실시형태에서는, 활성 금속 (Ti) 및 Mg 를 증착함으로써, 활성 금속막 (24) (Ti 막) 및 Mg 막 (25) 이 형성되어 있고, Mg 막 (25) 은 구리판 (22) (구리판 (23)) 과는 비접촉 상태로 적층되어 있다. 이 활성 금속 및 Mg 배치 공정 S01 에서는, 활성 금속량을 0.4 μ㏖/㎠ 이상 47.0 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 7.0 μ㏖/㎠ 이상 143.2 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있다.
활성 금속량의 하한은 2.8 μ㏖/㎠ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 활성 금속량의 상한은 18.8 μ㏖/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하다. Mg 량의 하한은 8.8 μ㏖/㎠ 이상으로 하는 것이 바람직하고, Mg 량의 상한은 37.0 μ㏖/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (23) 을, 활성 금속막 (24) (Ti 막) 및 Mg 막 (25) 을 개재하여 적층한다 (적층 공정 S02).
다음으로, 적층된 구리판 (22), 세라믹스 기판 (11), 구리판 (23) 을, 적층 방향으로 가압함과 함께, 진공노 내에 장입 (裝入) 하여 가열하고, 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (23) 을 접합한다 (접합 공정 S03).
접합 공정 S03 에 있어서의 가압 하중이 0.049 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하의 범위 내로 되어 있다.
또한, 접합 공정 S03 에 있어서의 가열 온도는, Cu 와 Mg 가 비접촉 상태로 적층되어 있는 것으로부터, Mg 의 융점 이상의 670 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있다. 가열 온도의 하한은 700 ℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
접합 공정 S03 에 있어서의 진공도는, 1 × 10-6 ㎩ 이상 1 × 10-2 ㎩ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
가열 온도에서의 유지 시간은, 5 min 이상 360 min 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 상기 서술한 Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적률을 낮게 하기 위해서는, 가열 온도에서의 유지 시간의 하한을 60 min 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 가열 온도에서의 유지 시간의 상한은 240 min 이하로 하는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 활성 금속 및 Mg 배치 공정 S01 과, 적층 공정 S02 와, 접합 공정 S03 에 의해, 본 실시형태인 절연 회로 기판 (10) 이 제조된다.
다음으로, 절연 회로 기판 (10) 의 금속층 (13) 의 타방의 면측에 히트 싱크 (51) 를 접합한다 (히트 싱크 접합 공정 S04).
절연 회로 기판 (10) 과 히트 싱크 (51) 를, 솔더재를 개재하여 적층하여 가열노에 장입하고, 제 2 솔더층 (8) 을 개재하여 절연 회로 기판 (10) 과 히트 싱크 (51) 를 솔더 접합한다.
다음으로, 절연 회로 기판 (10) 의 회로층 (12) 의 일방의 면에, 반도체 소자 (3) 를 솔더링에 의해 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S05).
이상의 공정에 의해, 도 1 에 나타내는 파워 모듈 (1) 이 제출된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태의 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 에 의하면, 무산소동으로 이루어지는 구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 과 알루미늄 산화물의 1 종인 알루미나로 이루어지는 세라믹스 기판 (11) 이, 활성 금속막 (24) (Ti 막) 및 Mg 막 (25) 을 개재하여 접합되어 있고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (구리판 (22)) 및 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) (구리판 (22)) 의 접합 계면에는, 세라믹스 기판 (11) 측에 형성된 산화마그네슘층 (31) 과, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층 (32) 이 적층되어 있다.
산화마그네슘층 (31) 은, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22, 23) 사이에 배치 형성된 Mg 와 세라믹스 기판 (11) 의 산소가 반응함으로써 형성되는 것으로, 접합 계면에 있어서 세라믹스 기판 (11) 이 충분히 반응하고 있다. 또한, 산화마그네슘층 (31) 에 적층하도록, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층 (32) 이 형성되어 있고, 이 Mg 고용층 (32) 에, 상기 서술한 활성 금속이 포함되어 있고, 본 실시형태에 있어서는 Mg 고용층 (31) 에 Cu 와 활성 금속 (Ti) 을 포함하는 금속간 화합물상 (33) 이 분산되어 있기 때문에, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22, 23) 사이에 배치 형성된 Mg 가 구리판 (22, 23) 측으로 충분히 확산되어 있고, 또한, Cu 와 활성 금속 (Ti) 이 충분히 반응하고 있다.
따라서, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22, 23) 의 접합 계면에 있어서 충분히 계면 반응이 진행되어 있고, 회로층 (12) (구리판 (22)) 과 세라믹스 기판 (11), 금속층 (13) (구리판 (23)) 과 세라믹스 기판 (11) 이 확실하게 접합된 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻을 수 있다. 또한, 접합 계면에 Ag 가 존재하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성이 우수한 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻을 수 있다.
특히, 본 실시형태에 있어서는, 산화마그네슘층 (31) 의 내부에, Cu 입자 (35) 가 분산되어 있기 때문에, 구리판 (22, 23) 의 Cu 가 세라믹스 기판 (11) 의 접합면에서 충분히 반응하고 있게 되어, 구리판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 이 강고하게 접합된 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시형태의 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 의 제조 방법에 의하면, 구리판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 사이에 활성 금속 (Ti) 의 단체 (활성 금속막 (24)) 및 Mg 단체 (Mg 막 (25)) 를 배치하는 활성 금속 및 Mg 배치 공정 S01 과, 이들 활성 금속막 (24) 및 Mg 막 (25) 을 개재하여 구리판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 을 적층하는 적층 공정 S02 와, 적층된 구리판 (22), 세라믹스 기판 (11), 구리판 (23) 을, 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정 S03 을 구비하고 있기 때문에, 접합 계면에 가스나 유기물의 잔류물 등이 잔존하는 경우가 없다. 또한, 활성 금속 (Ti) 의 단체 및 Mg 단체를 배치하고 있기 때문에, 조성의 편차가 없고, 균일하게 액상이 발생하게 된다.
그리고, 활성 금속 및 Mg 배치 공정 S01 에서는, 활성 금속량을 0.4 μ㏖/㎠ 이상 47.0 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 7.0 μ㏖/㎠ 이상 143.2 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있기 때문에, 계면 반응에 필요한 액상을 충분히 얻을 수 있음과 함께, 세라믹스 기판 (11) 의 필요 이상의 반응을 억제할 수 있다.
따라서, 구리판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 이 확실하게 접합된 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻을 수 있다. 또한, 접합에 Ag 를 사용하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성이 우수한 절연 회로 기판 (10) 을 얻을 수 있다.
활성 금속량이 0.4 μ㏖/㎠ 미만, 및, Mg 량이 7.0 μ㏖/㎠ 미만인 경우에는, 계면 반응이 불충분해져, 접합률이 저하할 우려가 있었다. 또한, 활성 금속량이 47.0 μ㏖/㎠ 를 초과하는 경우에는, 활성 금속이 많아 비교적 딱딱한 금속간 화합물상 (33) 이 과잉으로 생성되게 되어, Mg 고용층 (32) 이 지나치게 딱딱해져, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생할 우려가 있었다. 또한, Mg 량이 143.2 μ㏖/㎠ 를 초과하는 경우에는, 세라믹스 기판 (11) 의 분해 반응이 과잉이 되어, Al 이 과잉으로 생성되고, 이들과 Cu 나 활성 금속 (Ti) 이나 Mg 의 금속간 화합물이 다량으로 발생하여, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생할 우려가 있었다.
이상으로부터, 본 실시형태에서는, 활성 금속량을 0.4 μ㏖/㎠ 이상 47.0 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 7.0 μ㏖/㎠ 이상 143.2 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 접합 공정 S03 에 있어서의 가압 하중이 0.049 ㎫ 이상으로 되어 있기 때문에, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (22, 23) 과 활성 금속막 (24) (Ti 막) 및 Mg 막 (25) 을 밀착시킬 수 있고, 가열시에 이들의 계면 반응을 촉진시킬 수 있다. 또한, 접합 공정 S03 에 있어서의 가압 하중이 3.4 ㎫ 이하로 되어 있기 때문에, 세라믹스 기판 (11) 의 균열 등을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, Cu 와 Mg 가 비접촉 상태로 적층되어 있고, 접합 공정 S03 에 있어서의 가열 온도가, Mg 의 융점 이상인 670 ℃ 이상으로 되어 있기 때문에, 접합 계면에 있어서 충분히 액상을 발생시킬 수 있다. 한편, 접합 공정 S03 에 있어서의 가열 온도가 850 ℃ 이하로 되어 있기 때문에, Cu 와 활성 금속 (Ti) 의 공정 반응의 발생을 억제할 수 있어, 액상이 과잉으로 생성되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 세라믹스 기판 (11) 에 대한 열 부하가 작아져, 세라믹스 기판 (11) 의 열화를 억제할 수 있다.
(제 2 실시형태)
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대하여, 도 5 내지 도 8 을 참조하여 설명한다.
본 실시형태에 관련된 구리/세라믹스 접합체는, 세라믹스 부재인 세라믹스 기판 (111) 과, 구리 부재인 구리판 (122) (회로층 (112)) 이 접합됨으로써 구성된 절연 회로 기판 (110) 으로 되어 있다.
도 5 에, 본 발명의 제 2 실시형태인 절연 회로 기판 (110) 및 이 절연 회로 기판 (110) 을 사용한 파워 모듈 (101) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (101) 은, 절연 회로 기판 (110) 과, 이 절연 회로 기판 (110) 의 일방측 (도 5 에 있어서 상측) 의 면에 솔더층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 절연 회로 기판 (110) 의 타방측 (도 5 에 있어서 하측) 에 배치된 히트 싱크 (151) 를 구비하고 있다.
솔더층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 솔더재로 되어 있다.
절연 회로 기판 (110) 은, 세라믹스 기판 (111) 과, 이 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면 (도 5 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (112) 과, 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면 (도 5 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (113) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (111) 은, 회로층 (112) 과 금속층 (113) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 본 실시형태에서는, 알루미늄 산화물의 1 종인 알루미나로 구성되어 있다. 세라믹스 기판 (111) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (112) 은, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (122) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (112) 을 구성하는 구리판 (122) 으로서, 무산소동의 압연판이 이용되어 있다. 이 회로층 (112) 에는, 회로 패턴이 형성되어 있고, 그 일방의 면 (도 5 에 있어서 상면) 이, 반도체 소자 (3) 가 탑재되는 탑재면이 되어 있다. 회로층 (112) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 2.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
금속층 (113) 은, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면에 알루미늄판 (123) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (113) 은, 순도가 99.99 mass％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 알루미늄판 (123) 이 세라믹스 기판 (111) 에 접합됨으로써 형성되어 있다. 이 알루미늄판 (123) 은, 0.2 ％ 내력이 30 N/㎟ 이하로 되어 있다. 금속층 (113) (알루미늄판 (123)) 의 두께는 0.5 ㎜ 이상 6 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 2.0 ㎜ 로 설정되어 있다. 금속층 (113) 은, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 알루미늄판 (123) 이 Al-Si 계 브레이징재 (128) 를 사용하여 세라믹스 기판 (111) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
히트 싱크 (151) 는, 전술한 절연 회로 기판 (110) 을 냉각시키기 위한 것으로, 본 실시형태에 있어서는, 열 전도성이 양호한 재질로 구성된 방열판으로 되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 히트 싱크 (151) 는, A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 이 히트 싱크 (151) 는, 절연 회로 기판 (110) 의 금속층 (113) 에, 예를 들어 Al-Si 계 브레이징재를 사용하여 접합되어 있다.
세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (구리판 (122)) 은, 도 8 에 나타내는 바와 같이, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속으로 이루어지는 활성 금속막 (124) 및 Mg 막 (125) 을 개재하여 접합되어 있다. 본 실시형태에서는, 활성 금속으로서 Zr 및 Hf 를 사용하고 있고, 활성 금속막 (124) 은, Zr 과 Hf 를 공증착함으로써 성막된 것으로 되어 있다.
그리고, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (구리판 (122)) 의 접합 계면에 있어서는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 측에 형성된 산화마그네슘층 (131) 과, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층 (132) 이 적층되어 있다.
Mg 고용층 (132) 에는, 상기 서술한 활성 금속이 포함되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, Mg 고용층 (132) 에는, Cu 와 활성 금속 (Zr 및 Hf) 을 포함하는 금속간 화합물상 (133) 이 분산되어 있다. 본 실시형태에서는, 활성 금속으로서 Zr 및 Hf 를 사용하고 있고, Cu 와 Zr 및 Hf 를 포함하는 금속간 화합물상 (133) 을 구성하는 금속간 화합물로는, 예를 들어 Cu5Zr, Cu51Zr14, Cu8Zr3, Cu10Zr7, CuZr, Cu5Zr8, CuZr2, Cu51Hf14, Cu8Hf3, Cu10Hf7, CuHf2 등을 들 수 있다. 이 Mg 고용층 (132) 에 있어서의 Mg 의 함유량은, 0.01 원자％ 이상 3 원자％ 이하의 범위 내로 되어 있다. Mg 고용층 (132) 의 두께는, 0.1 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다.
본 실시형태에서는, 산화마그네슘층 (131) 의 내부에, Cu 입자 (135) 가 분산되어 있다.
산화마그네슘층 (131) 내에 분산되는 Cu 입자 (135) 의 입경이 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, 산화마그네슘층 (131) 중 세라믹스 기판 (111) 과의 계면으로부터 산화마그네슘층 (131) 의 두께의 20 ％ 까지의 계면 근방 영역에 있어서의 Cu 농도가 0.3 원자％ 이상 15 원자％ 이하의 범위 내로 되어 있다.
산화마그네슘층 (131) 의 두께는, 50 ㎚ 이상 1000 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있다. 산화마그네슘층 (131) 의 두께는, 50 ㎚ 이상 400 ㎚ 이하의 범위 내로 하는 것이 더욱 바람직하다.
본 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) 사이에 있어서, 세라믹스 기판 (111) 의 접합면으로부터 회로층 (112) 측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적률이 15 ％ 이하로 되어 있다.
상기 서술한 Cu-Mg 금속간 화합물상으로는, 예를 들어 Cu2Mg 상, CuMg2 상 등을 들 수 있다.
본 실시형태에서는, 상기 서술한 Cu-Mg 금속간 화합물상은, 전자선 마이크로 애널라이저 (니혼 전자 주식회사 제조 JXA-8539F) 를 사용하여, 배율 2000 배, 가속 전압 15 ㎸ 의 조건으로 접합 계면을 포함하는 영역 (400 ㎛ × 600 ㎛) 의 Mg 의 원소 MAP 을 취득하고, Mg 의 존재가 확인된 영역 내에서의 정량 분석의 5 점 평균으로, Cu 농도가 5 원자％ 이상, 또한, Mg 농도가 30 원자％ 이상 70 원자％ 이하를 만족한 영역을 Cu-Mg 금속간 화합물상으로 하였다.
다음으로, 상기 서술한 본 실시형태인 절연 회로 기판 (110) 의 제조 방법에 대하여, 도 7 및 도 8 을 참조하여 설명한다.
도 8 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (112) 이 되는 구리판 (122) 과 세라믹스 기판 (111) 사이에, 각각 Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속의 단체 (본 실시형태에서는 Zr 단체 및 Hf 단체) 및 Mg 단체를 배치한다 (활성 금속 및 Mg 배치 공정 S101). 본 실시형태에서는, 활성 금속 (Zr 및 Hf) 과 Mg 를 증착함으로써, 활성 금속막 (124) 및 Mg 막 (125) 이 형성되어 있고, 구리판 (122) 에 접촉하도록 Mg 막 (125) 이 형성되어 있다.
이 활성 금속 및 Mg 배치 공정 S101 에서는, 활성 금속량을 0.4 μ㏖/㎠ 이상 47.0 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 7.0 μ㏖/㎠ 이상 143.2 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있다.
활성 금속량이 0.4 μ㏖/㎠ 미만, 및, Mg 량이 7.0 μ㏖/㎠ 미만인 경우에는, 계면 반응이 불충분해져, 접합률이 저하할 우려가 있다. 또한, 활성 금속량이 47.0 μ㏖/㎠ 를 초과하는 경우에는, 활성 금속이 많아 비교적 딱딱한 금속간 화합물상 (133) 이 과잉으로 생성되게 되어, Mg 고용층 (132) 이 지나치게 딱딱해져, 세라믹스 기판 (111) 에 균열이 발생할 우려가 있다. 또한, Mg 량이 143.2 μ㏖/㎠ 를 초과하는 경우에는, 세라믹스 기판 (111) 의 분해 반응이 과잉이 되어, Al 이 과잉으로 생성되고, 이들과 Cu 나 활성 금속 (Ti) 이나 Mg 의 금속간 화합물이 다량으로 발생하여, 세라믹스 기판 (111) 에 균열이 발생할 우려가 있다.
활성 금속량의 하한은 2.8 μ㏖/㎠ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 활성 금속량의 상한은 18.8 μ㏖/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, Mg 량의 하한은 8.8 μ㏖/㎠ 이상으로 하는 것이 바람직하고, Mg 량의 상한은 37.0 μ㏖/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 구리판 (122) 과 세라믹스 기판 (111) 을, 활성 금속막 (124) 및 Mg 막 (125) 을 개재하여 적층한다 (적층 공정 S102).
본 실시형태에서는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면측에, Al-Si 계 브레이징재 (128) 를 개재하여, 금속층 (113) 이 되는 알루미늄판 (123) 을 적층한다.
다음으로, 적층된 구리판 (122), 세라믹스 기판 (111), 알루미늄판 (123) 을, 적층 방향으로 가압함과 함께, 진공노 내에 장입하여 가열하고, 구리판 (122) 과 세라믹스 기판 (111) 과 알루미늄판 (123) 을 접합한다 (접합 공정 S103).
접합 공정 S103 에 있어서의 가압 하중이 0.049 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하의 범위 내로 되어 있다.
또한, 접합 공정 S103 에 있어서의 가열 온도는, Cu 와 Mg 가 접촉 상태로 적층되어 있는 것으로부터, Mg 와 Cu 의 공정 온도 이상인 500 ℃ 이상, 또한, Cu 와 활성 금속 (Zr 및 Hf) 의 공정 온도 이하로 한다. 가열 온도의 하한은 700 ℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
본 실시형태에서는, 알루미늄판 (123) 을 Al-Si 계 브레이징재 (128) 를 사용하여 접합하기 때문에, 가열 온도는 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로 하고 있다.
또한, 접합 공정 S103 에 있어서의 진공도는, 1 × 10-6 ㎩ 이상 1 × 10-2 ㎩ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
또한, 가열 온도에서의 유지 시간은, 5 min 이상 360 min 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 상기 서술한 Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적률을 낮게 하기 위해서는, 가열 온도에서의 유지 시간의 하한을 60 min 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 가열 온도에서의 유지 시간의 상한은 240 min 이하로 하는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 활성 금속 및 Mg 배치 공정 S101 과, 적층 공정 S102 와, 접합 공정 S103 에 의해, 본 실시형태인 절연 회로 기판 (110) 이 제조된다.
다음으로, 절연 회로 기판 (110) 의 금속층 (113) 의 타방의 면측에, 히트 싱크 (151) 를 접합한다 (히트 싱크 접합 공정 S104).
절연 회로 기판 (110) 과 히트 싱크 (151) 를, 브레이징재를 개재하여 적층하고, 적층 방향으로 가압함과 함께 진공노 내에 장입하여 브레이징을 실시한다. 이에 의해, 절연 회로 기판 (110) 의 금속층 (113) 과 히트 싱크 (151) 를 접합한다. 이 때, 브레이징재로는, 예를 들어, 두께 20 ∼ 110 ㎛ 의 Al-Si 계 브레이징재 박을 사용할 수 있고, 브레이징 온도는, 접합 공정 S103 에 있어서의 가열 온도보다 저온으로 설정하는 것이 바람직하다.
다음으로, 절연 회로 기판 (110) 의 회로층 (112) 의 일방의 면에, 반도체 소자 (3) 를 솔더링에 의해 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S105).
이상의 공정에 의해, 도 5 에 나타내는 파워 모듈 (101) 이 제출 (製出) 된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태의 절연 회로 기판 (110) (구리/세라믹스 접합체) 에 의하면, 구리판 (122) (회로층 (112)) 과 알루미나로 이루어지는 세라믹스 기판 (111) 이, 활성 금속막 (124) 및 Mg 막 (125) 을 개재하여 접합되어 있고, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (구리판 (122)) 의 접합 계면에는, 세라믹스 기판 (111) 측에 형성된 산화마그네슘층 (131) 과, Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층 (132) 이 적층되고, 이 Mg 고용층 (132) 내에 활성 금속이 존재하고 있고, 본 실시형태에서는, Mg 고용층 (132) 내에 Cu 와 활성 금속을 포함하는 금속간 화합물상 (133) 이 분산되어 있기 때문에, 제 1 실시형태와 동일하게, 회로층 (112) (구리판 (122)) 과 세라믹스 기판 (111) 이 확실하게 접합된 절연 회로 기판 (110) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻을 수 있다. 또한, 접합 계면에 Ag 가 존재하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성이 우수한 절연 회로 기판 (110) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻을 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 산화마그네슘층 (131) 의 내부에, Cu 입자 (135) 가 분산되어 있기 때문에, 구리판 (122) 의 Cu 가 세라믹스 기판 (111) 의 접합면에서 충분히 반응하고 있게 되고, 회로층 (112) (구리판 (122)) 과 세라믹스 기판 (111) 이 강고하게 접합된 절연 회로 기판 (110) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시형태의 절연 회로 기판 (110) (구리/세라믹스 접합체) 의 제조 방법에 의하면, 제 1 실시형태와 동일하게, 회로층 (112) (구리판 (122)) 과 세라믹스 기판 (111) 의 접합 계면에 있어서, 액상을 적당히 출현시켜 충분히 계면 반응시킬 수 있고, 구리판 (122) 과 세라믹스 기판 (111) 이 확실하게 접합된 절연 회로 기판 (110) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻을 수 있다. 또한, 접합에 Ag 를 사용하고 있지 않기 때문에, 내마이그레이션성이 우수한 절연 회로 기판 (110) 을 얻을 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, Cu 와 Mg 가 접촉 상태로 적층되어 있고, 접합 공정 S103 에 있어서의 가열 온도가, Cu 와 Mg 의 공정 온도 이상인 500 ℃ 이상으로 되어 있기 때문에, 접합 계면에 있어서 충분히 액상을 발생시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 적층 공정 S102 에 있어서, 세라믹스 기판 (111) 의 타면측에 알루미늄판 (123) 을 Al-Si 계 브레이징재 (128) 를 개재하여 적층하고, 구리판 (122) 과 세라믹스 기판 (111), 세라믹스 기판 (111) 과 알루미늄판 (123) 을 동시에 접합하고 있기 때문에, 구리로 이루어지는 회로층 (112) 과 알루미늄으로 이루어지는 금속층 (113) 을 구비한 절연 회로 기판 (110) 을 효율적으로 제조할 수 있다. 또한, 절연 회로 기판 (110) 에 있어서의 휨의 발생을 억제할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
예를 들어, 회로층 또는 금속층을 구성하는 구리판을, 무산소동의 압연판으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 다른 구리 또는 구리 합금으로 구성된 것이어도 된다.
또한, 제 2 실시형태에 있어서, 금속층을 구성하는 알루미늄판을, 순도 99.99 mass％ 의 순알루미늄의 압연판으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 순도 99 mass％ 의 알루미늄 (2 N 알루미늄) 등, 다른 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된 것이어도 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판을, 알루미늄 산화물의 1 종인 알루미나로 이루어지는 것으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 지르코니아 등을 포함하는 강화 알루미나 등이어도 된다.
또한, 히트 싱크로서 방열판을 예로 들어 설명했지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 히트 싱크의 구조에 특별히 한정은 없다. 예를 들어, 냉매가 유통하는 유로를 갖는 것이나 냉각 핀을 구비한 것이어도 된다. 또한, 히트 싱크로서 알루미늄이나 알루미늄 합금을 포함하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 를 사용할 수도 있다.
또한, 히트 싱크의 천판부나 방열판과 금속층 사이에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 알루미늄을 포함하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층을 형성해도 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 활성 금속 및 Mg 배치 공정에 있어서, 활성 금속막 및 Mg 막을 성막하는 것으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 활성 금속과 Mg 를 공증착해도 된다. 이 경우에 있어서도, 성막된 활성 금속막 및 Mg 막은, 합금화되어 있지 않고, 활성 금속의 단체 및 Mg 단체가 배치되게 된다. 공증착에 의해 활성 금속 및 Mg 막을 성막한 경우에는, Mg 와 Cu 가 접촉 상태가 되기 때문에, 접합 공정에 있어서의 가열 온도의 하한을 500 ℃ 이상으로 할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 활성 금속으로서 Ti, 또는, Zr 및 Hf 를 사용한 것으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 활성 금속으로서, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 사용해도 된다.
활성 금속으로서 Zr 을 사용한 경우에는, Mg 고용층에 있어서, Zr 은, Cu 와의 금속간 화합물상으로서 존재한다. 이 금속간 화합물상을 구성하는 금속간 화합물로는, 예를 들어 Cu5Zr, Cu51Zr14, Cu8Zr3, Cu10Zr7, CuZr, Cu5Zr8, CuZr2 등을 들 수 있다.
활성 금속으로서 Hf 를 사용한 경우에는, Mg 고용층에 있어서, Hf 는, Cu 와의 금속간 화합물상으로서 존재한다. 이 금속간 화합물상을 구성하는 금속간 화합물로는, 예를 들어 Cu51Hf14, Cu8Hf3, Cu10Hf7, CuHf2 등을 들 수 있다.
활성 금속으로서 Ti 및 Zr 을 사용한 경우에는, Mg 고용층에 있어서, Ti 및 Zr 은, Cu 와 활성 금속을 포함하는 금속간 화합물상으로서 존재한다. 이 금속간 화합물상을 구성하는 금속간 화합물로는, Cu1.5Zr0.75Ti0.75 등을 들 수 있다.
또한, 활성 금속으로서 Nb 를 사용한 경우에는, Nb 는 Mg 고용층에 고용되어 존재하게 된다.
또한, 활성 금속 및 Mg 배치 공정에 있어서는, 접합 계면에 있어서의 활성 금속량을 0.4 μ㏖/㎠ 이상 47.0 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 7.0 μ㏖/㎠ 이상 143.2 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내로 되어 있으면 되고, 예를 들어 Mg 막/활성 금속막/Mg 막과 같이 활성 금속막과 Mg 막을 다층으로 적층해도 된다. 혹은, 활성 금속막과 Mg 막의 사이에 Cu 막을 성막해도 된다.
활성 금속의 단체 및 Mg 단체는, 박재를 배치해도 되고, 스퍼터링에 의해 성막해도 된다.
또한, 활성 금속의 단체나 Mg 단체를 적층한 클래드재를 사용해도 되고, 활성 금속의 단체나 Mg 단체를 포함하는 페이스트 등을 인쇄해도 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 절연 회로 기판의 회로층에 파워 반도체 소자를 탑재하여 파워 모듈을 구성하는 것으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 절연 회로 기판에 LED 소자를 탑재하여 LED 모듈을 구성해도 되고, 절연 회로 기판의 회로층에 열전 소자를 탑재하여 열전 모듈을 구성해도 된다.
실시예
본 발명의 유효성을 확인하기 위해서 실시한 확인 실험에 대하여 설명한다.
＜실시예 1＞
표 1 에 나타내는 구조의 구리/세라믹스 접합체를 형성하였다. 상세히 서술하면, 가로세로 40 ㎜ 의 알루미나로 이루어지는 세라믹스 기판의 양면에, 표 1 에 나타내는 바와 같이, 활성 금속의 단체 및 Mg 단체를 성막한 구리판을 적층하고, 표 1 에 나타내는 접합 조건으로 접합하여, 구리/세라믹스 접합체를 형성하였다. 세라믹스 기판으로서의 두께는 0.635 ㎜ 로 하였다. 또한, 접합시의 진공노의 진공도는 5 × 10-3 ㎩ 로 하였다.
이와 같이 하여 얻어진 구리/세라믹스 접합체에 대하여, 접합 계면을 관찰하여 산화마그네슘층, Mg 고용층, 금속간 화합물상, 산화마그네슘층 중의 Cu 입자의 유무 및 Cu 농도를 확인하였다. 또한, 구리/세라믹스 접합체의 초기 접합률, 냉열 사이클 후의 세라믹스 기판의 균열, 마이그레이션성을, 이하와 같이 평가하였다.
(Mg 고용층)
구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을, EPMA 장치 (니혼 전자 주식회사 제조 JXA-8539F) 를 사용하여, 배율 2000 배, 가속 전압 15 ㎸ 의 조건으로 접합 계면을 포함하는 영역 (400 ㎛ × 600 ㎛) 을 관찰하고, 세라믹스 기판 표면 (산화마그네슘층 표면) 으로부터 구리판측을 향하여 10 ㎛ 간격의 10 점에서 정량 분석을 실시하여, Mg 농도가 0.01 원자％ 이상인 영역을 Mg 고용층이라고 하였다.
(Mg 고용층에 있어서의 활성 금속의 유무 (금속간 화합물상의 유무))
구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을, 전자선 마이크로 애널라이저 (니혼 전자 주식회사 제조 JXA-8539F) 를 사용하여, 배율 2000 배, 가속 전압 15 ㎸ 의 조건으로 접합 계면을 포함하는 영역 (400 ㎛ × 600 ㎛) 의 활성 금속의 원소 MAP 을 취득하고, 활성 금속의 유무를 확인하였다. 또한, 활성 금속의 존재가 확인된 영역 내에서의 정량 분석의 5 점 평균으로, Cu 농도가 5 원자％ 이상, 또한, 활성 금속 농도가 16 원자％ 이상 90 원자％ 이하를 만족한 영역을 금속간 화합물상으로 하였다.
(산화마그네슘층)
구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을, 주사형 투과 전자 현미경 (FEI 사 제조 Titan ChemiSTEM (EDS 검출기 장착)) 을 사용하여, 배율 115000 배, 가속 전압 200 ㎸ 의 조건으로 관찰을 실시하고, 에너지 분산형 X 선 분석법 (서모 사이언티픽사 제조 NSS7) 을 사용하여 매핑을 실시하여, Mg, O 의 원소 매핑을 취득하고, Mg 와 O 가 겹치는 영역에 있어서, 1 ㎚ 정도로 좁힌 전자 빔을 조사함으로써 (NBD (나노 빔 회절) 법) 전자 회절 도형을 얻어, 산화마그네슘층의 유무를 확인하였다. 산화마그네슘층은, 마그네시아 (MgO), 스피넬 (MgAl2O4) 의 어느 것을 함유하고 있어도 된다.
또한, 산화마그네슘층이라고 확인된 영역에 있어서의 Cu 입자의 유무를 확인하고, 이 영역에 있어서의 정량 분석의 5 점 평균으로부터 얻어진 Cu 농도를, 산화마그네슘층 내에 분산된 Cu 의 평균 농도로 하였다.
(초기 접합률)
구리판과 세라믹스 기판의 접합률은, 초음파 탐상 장치 (주식회사 히타치 파워 솔루션즈 제조 FineSAT200) 를 사용하여 이하의 식을 사용하여 구하였다. 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적, 즉 구리판의 접합면의 면적으로 하였다. 초음파 탐상 이미지에 있어서 박리는 접합부 내의 백색부로 나타내는 것으로부터, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 하였다.
(접합률) = {(초기 접합 면적) - (박리 면적)}/(초기 접합 면적)
(세라믹스 기판의 균열)
냉열 충격 시험기 (에스펙 주식회사 제조 TSA-72ES) 를 사용하여, 기상에서, -50 ℃ × 10 분 ←→ 150 ℃ × 10 분의 250 사이클을 실시하였다.
상기 서술한 냉열 사이클을 부하한 후의 세라믹스 기판의 균열의 유무를 평가하였다.
(마이그레이션)
회로층의 회로 패턴간 거리 0.8 ㎜, 온도 60 ℃, 습도 60 ％RH, 전압 DC 1000 V 의 조건으로, 2000 시간 방치 후에, 회로 패턴 사이의 전기 저항을 측정하고, 저항값이 1 × 106 Ω 이하가 된 경우를 단락했다고 판단하여, 마이그레이션의 평가를 「B」 라고 하였다. 상기와 동일한 조건으로, 2000 시간 방치 후에, 회로 패턴 사이의 전기 저항을 측정하고, 저항값이 1 × 106 Ω 보다 큰 경우에는, 마이그레이션의 평가를 「A」 라고 하였다.
평가 결과를 표 2 에 나타낸다. 또한, 본 발명예 3 의 관찰 결과를 도 9 에 나타낸다.
Figure pct00001
Figure pct00002
활성 금속 및 Mg 배치 공정에 있어서 Mg 량이 본 발명보다 적은 비교예 1 에 있어서는, Mg 고용층 및 산화마그네슘층이 형성되지 않아, 초기 접합률이 낮아졌다. 계면 반응이 불충분했기 때문인 것으로 추측된다.
활성 금속 및 Mg 배치 공정에 있어서 Mg 량이 본 발명보다 많은 비교예 2 에 있어서는, 세라믹스 기판의 균열이 확인되었다. 이 때문에, 구리/세라믹스 접합체를 얻을 수 없었다. 세라믹스 기판의 분해 반응이 과잉이 되어, Al 이 과잉으로 생성되고, 이들과 Cu 나 활성 금속이나 Mg 의 금속간 화합물이 다량으로 발생했기 때문인 것으로 추측된다.
활성 금속 및 Mg 배치 공정에 있어서 활성 금속량이 본 발명의 범위보다 적은 비교예 3 에 있어서는, 초기 접합률이 낮아졌다. Mg 고용층에 활성 금속이 존재하고 있지 않아, 계면 반응이 불충분했기 때문인 것으로 추측된다.
활성 금속 및 Mg 배치 공정에 있어서 활성 금속량이 본 발명의 범위보다 많은 비교예 4 에 있어서는, 세라믹스 기판의 균열이 확인되었다. 이 때문에, 구리/세라믹스 접합체를 얻을 수 없었다. Mg 고용층에 활성 금속이 많이 존재하여, Mg 고용층이 지나치게 딱딱해졌기 때문인 것으로 추측된다.
Ag-Cu-Ti 브레이징재를 사용하여 세라믹스 기판과 구리판을 접합한 종래예에 있어서는, 마이그레이션이 「B」 라고 판단되었다. 접합 계면에 Ag 가 존재하기 때문인 것으로 추측된다.
이에 반하여, 본 발명예 1 ∼ 12 에 있어서는, 초기 접합률도 높고, 세라믹스 기판의 균열도 확인되지 않았다. 또한, 마이그레이션도 양호하였다.
또한, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 접합 계면을 관찰한 결과, 산화마그네슘층, Mg 고용층이 관찰되고, 이 Mg 고용층의 내부에 활성 금속 (금속간 화합물상) 이 분산되어 있는 것이 관찰되었다.
＜실시예 2＞
표 3 에 나타내는 구조의 절연 회로 기판을 형성하였다. 상세히 서술하면, 가로세로 40 ㎜ 의 알루미나로 이루어지는 세라믹스 기판의 양면에, 표 3 에 나타내는 바와 같이, 활성 금속의 단체 및 Mg 단체를 성막한 구리판을 적층하고, 표 3 에 나타내는 접합 조건으로 접합하여, 회로층을 갖는 절연 회로 기판을 형성하였다. 세라믹스 기판의 두께는 0.635 ㎜ 로 하였다. 또한, 접합시의 진공노의 진공도는 5 × 10-3 ㎩ 로 하였다.
이와 같이 하여 얻어진 절연 회로 기판에 대하여, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 계면에 있어서의 Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적률, 및, 회로층에 초음파 접합한 단자의 풀 강도를, 이하와 같이 하여 평가하였다.
(Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적률)
구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을, 전자선 마이크로 애널라이저 (니혼 전자 주식회사 제조 JXA-8539F) 를 사용하여, 배율 750 배, 가속 전압 15 ㎸ 의 조건으로 접합 계면을 포함하는 영역 (120 ㎛ × 160 ㎛) 의 Mg 의 원소 MAP 을 취득하고, Mg 의 존재가 확인된 영역 내에서의 정량 분석의 5 점 평균으로, Cu 농도가 5 원자％ 이상, 또한, Mg 농도가 30 원자％ 이상 70 원자％ 이하를 만족한 영역을 Cu-Mg 금속간 화합물상으로 하였다.
그리고, 관찰 시야 내에 있어서, 세라믹스 기판의 접합면과 세라믹스 기판의 접합면으로부터 구리판측으로 50 ㎛ 까지의 영역의 면적 A 를 구한다. 이 영역 내에 있어서 Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적 B 를 구하고, Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적률 B/A × 100 (％) 을 구하였다. 상기 서술한 바와 같이 Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적률을 5 시야에서 측정하고, 그 평균치를 표 3 에 기재하였다.
(풀 강도)
도 10 에 나타내는 바와 같이, 절연 회로 기판의 회로층 상에, 초음파 금속 접합기 (초음파 공업 주식회사 제조 60C-904) 를 사용하여, 구리 단자 (폭 5 ㎜ × 두께 1.0 ㎜) 를, 콜랩스량 0.3 ㎜ 의 조건으로 초음파 접합하였다.
그리고, 툴 속도 0.5 ㎜/s, 스테이지 속도 0.5 ㎜/s 의 조건으로 구리 단자를 풀 했을 때의 파단 하중을 접합 면적으로 나눈 값을 풀 강도로서 표 3 에 기재하였다.
Figure pct00003
본 발명예 21 ∼ 32 를 비교하면, Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적률이 낮을수록, 풀 강도가 높아지는 것이 확인된다. 따라서, 초음파 접합성을 향상시키는 경우에는, Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적률을 낮게 억제하는 것이 효과적인 것이 확인되었다.
＜실시예 3＞
표 4 에 나타내는 구조의 구리/세라믹스 접합체를 형성하였다. 상세히 서술하면, 가로세로 40 ㎜ 의 알루미나로 이루어지는 세라믹스 기판의 양면에, 표 4 에 나타내는 바와 같이, 활성 금속의 단체 및 Mg 단체를 성막한 구리판을 적층하고, 표 4 에 나타내는 접합 조건으로 접합하여, 구리/세라믹스 접합체를 형성하였다. 세라믹스 기판으로서의 두께는 0.635 ㎜ 로 하였다. 또한, 접합시의 진공노의 진공도는 5 × 10-3 ㎩ 로 하였다.
이와 같이 하여 얻어진 구리/세라믹스 접합체에 대하여, 접합 계면을 관찰하여, 산화마그네슘층의 두께, Mg 고용층, 금속간 화합물상, 산화마그네슘층 중의 Cu 입자의 유무 및 Cu 농도를 확인하였다. 또한, 구리/세라믹스 접합체의 초기 접합률, 냉열 사이클 부하시의 세라믹스 기판의 균열을 평가하였다.
Mg 고용층, 금속간 화합물상, 산화마그네슘층 중의 Cu 입자의 유무 및 Cu 농도, 및, 구리/세라믹스 접합체의 초기 접합률에 대해서는, 실시예 1 과 동일한 방법으로 평가하였다.
(산화마그네슘층의 두께)
구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을, 투과형 전자 현미경 (FEI 사 제조 Titan ChemiSTEM) 을 사용하여 가속 전압 200 ㎸, 배율 2 만 배로 관찰하고, 얻어진 원소 매핑에 있어서, Mg 와 O 가 공존하는 영역이 존재한 경우를, 산화마그네슘층이라고 동정하였다. 산화마그네슘층은, 마그네시아 (MgO), 스피넬 (MgAl2O4) 의 어느 것을 함유하고 있어도 된다.
그리고, 관찰 시야 내에 있어서, 산화마그네슘층의 면적을 관찰 폭으로 나누는 것에 의해, 산화마그네슘층의 두께를 산출하였다.
(냉열 사이클 시험)
냉열 충격 시험기 (에스펙 주식회사 제조 TSA-72ES) 를 사용하여, 기상에서, -50 ℃ × 10 분 ←→ 175 ℃ × 10 분의 250 사이클을 실시하였다.
10 사이클마다 세라믹스 기판의 균열의 유무를 확인하였다. 세라믹스 균열의 유무는, 초음파 탐상 장치 (히타치 파워 솔루션즈 제조 FineSAT200) 에 의한 계면 검사로부터 판정하였다. 표 5 에 있어서, 「＞250」 은 250 사이클 후에 균열이 확인되지 않은 것을 나타낸다.
Figure pct00004
Figure pct00005
산화마그네슘층의 두께가 50 ㎚ 이상 1000 ㎚ 이하의 범위 내가 된 본 발명예 41 ∼ 52 에 있어서는, -50 ℃ 내지 175 ℃ 의 가혹한 냉열 사이클 시험을 실시한 경우에도, 세라믹스 균열이 발생한 냉열 사이클이 180 회 이상으로, 냉열 사이클 신뢰성이 우수한 것이 확인되었다. 특히, 산화마그네슘층의 두께가 50 ㎚ 이상 400 ㎚ 이하의 범위 내가 된 본 발명예 41, 42, 44, 50 ∼ 52 에 있어서는, 냉열 사이클을 250 사이클 부하 후에 있어서도 세라믹스 기판의 균열이 확인되고 있지 않아, 냉열 사이클 신뢰성이 특히 우수한 것이 확인되었다.
이상으로부터, 더욱 냉열 사이클 신뢰성이 필요한 경우에는, 산화마그네슘층을 50 ㎚ 이상 1000 ㎚ 이하의 범위 내, 나아가서는 50 ㎚ 이상 400 ㎚ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
산업상 이용가능성
본 발명에 의하면, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와 알루미늄 산화물로 이루어지는 세라믹스 부재가 확실하게 접합되어, 내마이그레이션성이 우수한 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및, 상기 서술한 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법을 제공하는 것이 가능해진다.
10, 110 절연 회로 기판
11, 111 세라믹스 기판
12, 112 회로층
13, 113 금속층
22, 23, 122 구리판
31, 131 산화마그네슘층
32, 132 Mg 고용층
33, 133 금속간 화합물상
35, 135 Cu 입자

Claims (14)

  1. 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 알루미늄 산화물로 이루어지는 세라믹스 부재가 접합되어 이루어지는 구리/세라믹스 접합체로서,
    상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에 있어서는, 상기 세라믹스 부재측에 산화마그네슘층이 형성되고, 이 산화마그네슘층과 상기 구리 부재 사이에 Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있고,
    상기 Mg 고용층에는, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속이 존재하는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 Mg 고용층에는, Cu 와 상기 활성 금속을 포함하는 금속간 화합물상이 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 산화마그네슘층의 내부에, Cu 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹스 부재와 상기 구리 부재 사이에 있어서, 상기 세라믹스 부재의 접합면으로부터 상기 구리 부재측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적률이 15 ％ 이하가 되어 있는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화마그네슘층의 두께가 50 ㎚ 이상 1000 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  6. 알루미늄 산화물로 이루어지는 세라믹스 기판의 표면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합되어 이루어지는 절연 회로 기판으로서,
    상기 구리판과 상기 세라믹스 기판 사이에 있어서는, 상기 세라믹스 기판측에 산화마그네슘층이 형성되고, 이 산화마그네슘층과 상기 구리판 사이에 Cu 의 모상 중에 Mg 가 고용된 Mg 고용층이 형성되어 있고,
    상기 Mg 고용층에는, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속이 존재하는 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 Mg 고용층에는, Cu 와 상기 활성 금속을 포함하는 금속간 화합물상이 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 산화마그네슘층의 내부에, Cu 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판과 상기 구리판 사이에 있어서, 상기 세라믹스 기판의 접합면으로부터 상기 구리판측으로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 Cu-Mg 금속간 화합물상의 면적률이 15 ％ 이하가 되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화마그네슘층의 두께가 50 ㎚ 이상 1000 ㎚ 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
  11. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 구리/세라믹스 접합체를 제조하는 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법으로서,
    상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속의 단체 및 Mg 단체를 배치하는 활성 금속 및 Mg 배치 공정과,
    상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를, 활성 금속 및 Mg 를 개재하여 적층하는 적층 공정과,
    활성 금속 및 Mg 를 개재하여 적층된 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정을 구비하고 있고,
    상기 활성 금속 및 Mg 배치 공정에서는, 활성 금속량을 0.4 μ㏖/㎠ 이상 47.0 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 7.0 μ㏖/㎠ 이상 143.2 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내로 하는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 접합 공정에 있어서의 가압 하중이 0.049 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하의 범위 내가 되고,
    상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도는, Cu 와 Mg 가 접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 500 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내, Cu 와 Mg 가 비접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 670 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법.
  13. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 절연 회로 기판을 제조하는 절연 회로 기판의 제조 방법으로서,
    상기 구리판과 상기 세라믹스 기판 사이에, Ti, Zr, Nb, Hf 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 활성 금속의 단체 및 Mg 단체를 배치하는 활성 금속 및 Mg 배치 공정과, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판을, 활성 금속 및 Mg 를 개재하여 적층하는 적층 공정과,
    활성 금속 및 Mg 를 개재하여 적층된 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판을 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정을 구비하고 있고,
    상기 활성 금속 및 Mg 배치 공정에서는, 활성 금속량을 0.4 μ㏖/㎠ 이상 47.0 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내, Mg 량을 7.0 μ㏖/㎠ 이상 143.2 μ㏖/㎠ 이하의 범위 내로 하는 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 접합 공정에 있어서의 가압 하중이 0.049 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하의 범위 내가 되고,
    상기 접합 공정에 있어서의 가열 온도는, Cu 와 Mg 가 접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 500 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내, Cu 와 Mg 가 비접촉 상태로 적층되어 있는 경우에는 670 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판의 제조 방법.
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