KR20220023820A - 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및, 절연 회로 기판의 제조 방법 - Google Patents

구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및, 절연 회로 기판의 제조 방법 Download PDF

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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

이 구리/세라믹스 접합체는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 부재를 갖고, 상기 구리 부재와, 상기 세라믹스 부재는 접합되고, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면에, Mg-O 층이 형성되어 있다.

Description

구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및, 절연 회로 기판의 제조 방법
이 발명은, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 세라믹스 부재가 접합되어 이루어지는 구리/세라믹스 접합체, 세라믹스 기판의 표면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합되어 이루어지는 절연 회로 기판, 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및, 절연 회로 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은, 2019년 6월 26일에, 일본에 출원된 특원 2019-118505호에 기초하여 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 많다. 이 때문에, 이 파워 반도체 소자를 탑재하는 기판으로는, 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 도전성이 우수한 금속판을 접합하여 형성한 회로층을 구비한 절연 회로 기판이, 종래부터 널리 사용되고 있다. 또한, 절연 회로 기판으로는, 세라믹스 기판의 타방의 면에 금속판을 접합하여 금속층을 형성한 것도 제공되고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에는, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, 구리판을 접합함으로써 회로층 및 금속층을 형성한 절연 회로 기판이 제안되어 있다. 이 특허문헌 1 에 있어서는, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에, Ag-Cu-Ti 계 납재를 개재시켜 구리판을 배치하고, 가열 처리를 실시함으로써 구리판이 접합되어 있다 (이른바 활성 금속 납땜법). 이 활성 금속 납땜법에서는, 활성 금속인 Ti 가 함유된 납재를 사용하고 있기 때문에, 용융한 납재와 세라믹스 기판의 젖음성이 향상되어, 세라믹스 기판과 구리판이 양호하게 접합되게 된다.
또한, 특허문헌 2 에 있어서는, Cu-Mg-Ti 계 납재를 사용하여, 세라믹스 기판과 구리판을 접합한 절연 회로 기판이 제안되어 있다.
이 특허문헌 2 에 있어서는, 질소 가스 분위기하에서 560 ∼ 800 ℃ 에서 가열함으로써, 세라믹스 기판과 구리판을 접합하고 있고, Cu-Mg-Ti 합금 중의 Mg 는 승화하여 접합 계면에는 잔존하지 않고, 또한, 질화티탄 (TiN) 이 실질적으로 형성되지 않는 것으로 되어 있다.
그런데, 상기 서술한 절연 회로 기판의 회로층에 있어서는, 단자재 등이 초음파 접합되는 경우가 있다.
여기서, 특허문헌 1, 2 에 기재된 절연 회로 기판에 있어서는, 단자재 등을 접합하기 위해서 초음파를 부하시켰을 때에, 접합 계면에 크랙이 발생하여, 회로층이 박리되게 될 우려가 있었다.
일본 특허 제3211856호 일본 특허 제4375730호
이 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 초음파 접합을 실시했을 경우에도, 세라믹스 부재와 구리 부재의 박리를 억제하는 것이 가능한 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및, 절연 회로 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 양태에 관련된 구리/세라믹스 접합체는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 부재를 갖고, 상기 구리 부재와, 상기 세라믹스 부재는 접합되고, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면에, Mg-O 층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 일 양태에 관련된 구리/세라믹스 접합체에 의하면, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면에, Mg-O 층이 형성되어 있기 때문에, 접합재로서의 Mg 와 세라믹스 부재의 표면에 형성된 산화물이 충분히 반응하고 있고, 구리 부재와 세라믹스 부재가 강고하게 접합되어 있다. 그리고, 접합 계면에 Mg-O 층이 형성되어 있음으로써, 초음파를 부하시켰을 경우에도, 접합 계면에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있고, 세라믹스 부재와 구리 부재의 박리를 억제하는 것이 가능해진다.
본 발명의 일 양태에 관련된 절연 회로 기판은, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판과, 질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 기판을 갖고, 상기 세라믹스 기판의 표면에, 상기 구리판이 접합되고, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에, Mg-O 층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 일 양태에 관련된 절연 회로 기판에 의하면, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에, Mg-O 층이 형성되어 있다. 이 때문에, 접합재로서의 Mg 와 세라믹스 기판의 표면에 형성된 산화물이 충분히 반응하고 있고, 구리판과 세라믹스 기판이 강고하게 접합되어 있다. 또한, 접합 계면에 Mg-O 층이 형성되어 있다. 이 때문에, 초음파를 부하시켰을 경우에도, 접합 계면에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있고, 세라믹스 기판과 구리판의 박리를 억제하는 것이 가능해진다.
본 발명의 일 양태에 관련된 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법은, 상기 서술한 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법으로서, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에, Mg 를 배치하는 Mg 배치 공정과, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를 Mg 를 개재하여 적층하는 적층 공정과, Mg 를 개재하여 적층된 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에 있어서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정을 구비하고 있고, 상기 Mg 배치 공정에서는, Mg 량을 0.34 ㎎/㎠ 이상 4.35 ㎎/㎠ 이하의 범위 내로 하고, 상기 접합 공정에서는, 480 ℃ 이상 650 ℃ 미만의 온도 영역에 있어서의 승온 속도가 5 ℃/min 이상이 됨과 함께, 650 ℃ 이상의 온도에서 30 min 이상 유지하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 일 양태에 관련된 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법에 의하면, 상기 Mg 배치 공정에서는, Mg 량을 0.34 ㎎/㎠ 이상 4.35 ㎎/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있다. 이 때문에, 계면 반응에 필요한 Cu-Mg 액상을 충분히 얻을 수 있다. 따라서, 구리 부재와 세라믹스 부재를 확실하게 접합할 수 있다.
그리고, 접합 공정에 있어서, 480 ℃ 이상 650 ℃ 미만의 온도 영역에 있어서의 승온 속도를 5 ℃/min 이상으로 하고, 650 ℃ 이상의 온도에서 30 min 이상 유지한다. 이 때문에, 계면 반응에 필요한 Cu-Mg 액상을 일정 시간 이상 유지할 수 있어, 균일한 계면 반응을 촉진시키고, 구리 부재와 세라믹스 부재의 접합 계면에 Mg-O 층을 확실하게 형성하는 것이 가능해진다.
본 발명의 일 양태에 관련된 절연 회로 기판의 제조 방법은, 상기 서술한 절연 회로 기판의 제조 방법으로서, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판 사이에, Mg 를 배치하는 Mg 배치 공정과, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판을 Mg 를 개재하여 적층하는 적층 공정과, Mg 를 개재하여 적층된 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판을 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에 있어서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정을 구비하고 있고, 상기 Mg 배치 공정에서는, Mg 량을 0.34 ㎎/㎠ 이상 4.35 ㎎/㎠ 이하의 범위 내로 하고, 상기 접합 공정에서는, 480 ℃ 이상 650 ℃ 미만의 온도 영역에 있어서의 승온 속도가 5 ℃/min 이상이 됨과 함께, 650 ℃ 이상의 온도에서 30 min 이상 유지하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 일 양태에 관련된 절연 회로 기판의 제조 방법에 의하면, 상기 Mg 배치 공정에서는, Mg 량을 0.34 ㎎/㎠ 이상 4.35 ㎎/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있다. 이 때문에, 계면 반응에 필요한 Cu-Mg 액상을 충분히 얻을 수 있다. 따라서, 구리판과 세라믹스 기판을 확실하게 접합할 수 있다.
그리고, 접합 공정에 있어서, 480 ℃ 이상 650 ℃ 미만의 온도 영역에 있어서의 승온 속도를 5 ℃/min 이상으로 하고, 650 ℃ 이상의 온도에서 30 min 이상 유지한다. 이 때문에, 계면 반응에 필요한 Cu-Mg 액상을 일정 시간 이상 유지할 수 있어, 균일한 계면 반응을 촉진시키고, 구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면에 Mg-O 층을 확실하게 형성하는 것이 가능해진다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 초음파 접합을 실시했을 경우에도, 세라믹스 부재와 구리 부재의 박리를 억제하는 것이 가능한 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및, 절연 회로 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 절연 회로 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 절연 회로 기판의 회로층 (금속층) 과 세라믹스 기판의 접합 계면의 확대 설명도이다.
도 3 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 절연 회로 기판의 회로층 (금속층) 과 세라믹스 기판의 접합 계면의 관찰 결과이다.
도 4a 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 절연 회로 기판의 회로층 (금속층) 과 세라믹스 기판의 접합 계면의 라인 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4b 는, 도 4a 의 세로축의 일부를 확대한 그래프이다.
도 5 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 절연 회로 기판의 제조 방법의 플로도이다.
도 6 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 절연 회로 기판의 제조 방법의 개략 설명도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 실시형태에 관련된 구리/세라믹스 접합체는, 세라믹스 (질화알루미늄) 로 이루어지는 세라믹스 부재로서의 세라믹스 기판 (11) 과, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재로서의 구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 을 갖는 절연 회로 기판 (10) 이다. 구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 은, 세라믹스 기판 (11) 에 접합되어 있다. 도 1 은, 본 실시형태인 절연 회로 기판 (10) 을 구비한 파워 모듈 (1) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (1) 은, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 배치 형성된 절연 회로 기판 (10) 과, 회로층 (12) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 접합층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 금속층 (13) 의 타방측 (도 1 에 있어서 하측) 에 배치된 히트 싱크 (30) 를 구비하고 있다.
반도체 소자 (3) 는, Si 등의 반도체 재료로 이루어진다. 이 반도체 소자 (3) 와 회로층 (12) 은, 접합층 (2) 을 개재하여 접합되어 있다.
접합층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 이루어진다.
히트 싱크 (30) 는, 전술한 절연 회로 기판 (10) 으로부터의 열을 방산하기 위한 것이다. 이 히트 싱크 (30) 는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지고, 본 실시형태에서는 인 탈산 구리로 이루어진다. 이 히트 싱크 (30) 에는, 냉각용의 유체가 흐르기 위한 유로 (31) 가 형성되어 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 히트 싱크 (30) 와 금속층 (13) 이, 땜납재로 이루어지는 땜납층 (32) 에 의해 접합되어 있다. 이 땜납층 (32) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 이루어진다.
그리고, 본 실시형태인 절연 회로 기판 (10) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 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, 절연성 및 방열성이 우수한 질화알루미늄 (AlN) 으로 이루어진다. 이 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 예를 들어, 0.2 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 6 에 있어서 상면) 에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (22) 이 접합됨으로써 형성되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 은, 무산소 구리의 압연판으로 이루어지는 구리판 (22) 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
또한, 회로층 (12) 이 되는 구리판 (22) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 2.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
금속층 (13) 은, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 6 에 있어서 하면) 에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (23) 이 접합됨으로써 형성되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 은, 무산소 구리의 압연판으로 이루어지는 구리판 (23) 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
또한, 금속층 (13) 이 되는 구리판 (23) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 2.0 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, 0.6 ㎜ 로 설정되어 있다.
그리고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속층 (13)) 의 접합 계면에 있어서는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, Mg-O 층 (41) 이 형성되어 있다.
이 Mg-O 층 (41) 은, 접합재로서 사용되는 Mg 와 세라믹스 기판 (11) 의 표면에 형성된 산화막이 반응함으로써 형성된 것이다.
여기서, 도 3 은, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속층 (13)) 의 접합 계면의 관찰 결과를 나타낸다. 상세하게는, 도 3 은, 접합 계면의 HAADF-STEM (High-angle Annular Dark Field Scanning TEM) 이미지 및 EDX (Energy dispersive X-ray spectroscopy) 법에 의해 얻어진 조성 분포 관찰 결과 (원소 매핑의 결과) 이다. 도 3 의 좌단의 "HAADF" 라고 기재된 도면이, 접합 계면의 HAADF-STEM 이미지이다. HAADF 이미지는 Z 콘트라스트 이미지로서, HAADF 이미지에서는 원자량 (Z) 에 비례한 콘트라스트가 얻어지기 때문에, 무거운 원소는 밝게 (하얗게) 표시된다. 도면의 좌측에 세라믹스 기판 (AlN) (11) 이 위치하고, 우측에 회로층 (Cu) (12) 이 위치하고 있고, 우측이 밝게 (하얗게) 표시되어 있다. 도 3 중, "Cu", "Al", "N", "Mg", "O" 라고 기재된 도면은, EDX 법에 의해 얻어진 각 원소의 분포 관찰 결과이다. EDX 법에 의해 얻어진 각 원소의 분포 관찰 결과는, HAADF-STEM 이미지에 대응하고 있다. 각 원소의 분포 관찰 결과에서는, 검출되는 원소의 양이 많을 수록, 밝게 (하얗게) 표시되고 있다. 도 3 에 있어서는, Al 및 N 이 검출된 영역이 세라믹스 기판 (11) 에 상당하고, Cu 가 검출된 영역이 회로층 (12) (금속층 (13)) 이 된다. 그리고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속층 (13)) 사이에, Mg 와 O 가 편재된 Mg-O 층 (41) 이 존재하고 있는 것이 확인된다.
또한, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속층 (13)) 의 접합 계면의 라인 분석 결과를 도 4a, 도 4b 에 나타낸다. 주사형 투과 전자 현미경 (STEM, FET 사 제조 Titan ChemiSTEM) 에 부대된 에너지 분산형 X 선 분석 장치 (EDX, 서모 사이언티픽사 제조 NSS7) 를 사용하여, 가속 전압 : 200 ㎸, 배율 : 360 만 배의 조건으로, 세라믹스 기판 (11) 으로부터 회로층 (12) 을 향하는 두께 방향으로 접합 계면의 라인 프로파일을 취득하였다. 여기서, 라인 프로파일이란, 세로축을 원소의 농도로 하고, 가로축을 측정 점의 이동 거리 (측정 점의 위치) 로 하여 얻어지는 그래프이다. 원소의 농도는, 어느 측정점에 있어서 측정되는 Al, N, O, Mg, 및 Cu 의 합계량 (100 원자％) 에 대한 그 원소의 양의 비 (원자％) 이다. 도 4a, 도 4b 에 있어서는, Al 및 N 의 농도가 높은 영역이 세라믹스 기판 (11) 에 상당하고, Cu 의 농도가 높은 영역이 회로층 (12) (금속층 (13)) 이 된다. 그리고, Al 및 N 의 농도, 그리고, Cu 의 농도가 변화하는 영역 (즉, 접합 계면) 에 있어서, Mg 및 O 의 농도가 높아지고 있어, Mg 와 O 가 편재된 Mg-O 층 (41) 이 존재하고 있는 것이 확인된다.
본 실시형태에서는, 도 3 의 접합 계면의 Mg, O 의 분포 관찰 결과 (원소 매핑의 결과) 나 도 4a, 도 4b 의 접합 계면의 라인 프로파일에 있어서, Mg 와 O 가 동일 영역에 존재하는 경우, 접합 계면에 Mg-O 층 (41) 이 존재하고 있는 것으로 판단된다. 또한, 후술하는 바와 같이 접합 계면을 원자 분해능으로 관찰하고, O-Mg-O 의 모노 레이어 구조의 두께 이상의 Mg-O 층 (41) 이 확인되는 경우에도, 접합 계면에 Mg-O 층 (41) 이 존재하고 있는 것으로 판단된다. Mg-O 층 (41) 은, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속층 (13)) 의 접합 계면의 전체면에 존재하는 것이 바람직하다.
Mg-O 층 (41) 의 두께는, EDX (Energy dispersive X-ray spectroscopy) 에 의해 측정된 도 4a, 도 4b 의 라인 프로파일에 있어서, Mg 농도와 O 농도가 겹치는 영역 중, Mg 농도와 O 농도의 양자가 5 at％ (원자％) 이상인 영역의 두께라고도 할 수 있다. 여기서, Mg 농도와 O 농도의 각각은, Al, N, O, Mg, 및 Cu 의 합계량 (100 원자％) 에 대한 Mg 와 O 의 양의 비 (원자％) 이다. Mg-O 층 (41) 의 두께의 상한은, 바람직하게는 50 ㎚ 이하이고, 보다 바람직하게는 25 ㎚ 이하이고, 더욱 바람직하게는 15 ㎚ 이하이다. Mg-O 층 (41) 의 두께의 하한은, 특별히 한정되지 않는다. EDX 의 분해능을 고려하면, 상기 서술한 방법으로 구해지는 Mg-O 층 (41) 의 두께는 1 ㎚ 이상이다.
Mg 농도와 O 농도가 낮고, 상기 서술한 방법으로 구한 Mg-O 층 (41) 의 두께가 1 ㎚ 미만이 되는 경우에도, 접합 계면을, 원자 분해능으로, 원자 위치를 직접적으로 특정할 수 있는 레벨에서 관찰하면, O-Mg-O 의 모노 레이어 구조의 두께로부터 0.5 ㎚ 의 두께의 Mg-O 층 (41) 을 확인할 수 있다. 이 때문에, Mg-O 층 (41) 의 두께의 하한은 O-Mg-O 의 모노 레이어 구조의 두께 이상이라고도 할 수 있다. Mg-O 층 (41) 의 두께가 O-Mg-O 의 모노 레이어 구조의 두께 이상인 경우, 본 실시형태의 작용 효과가 얻어진다. 배위 수가 6 인 경우의 Mg2＋ 의 이온 반경은 0.72 옹스트롬이다. 배위 수가 2 ∼ 8 인 경우의 O2- 의 이온 반경은 1.35 ∼ 1.42 옹스트롬이다. MgO 의 결정 구조가 암염형이라고 가정하고, AlN (0001)//MgO (111) 의 관계가 있는 것, 및 Mg-O 층 (41) 중의 O 의 배위 수가 MgO 의 벌크체 중의 O 의 배위 수와 상이할 우려가 있는 것을 고려하면, O-Mg-O 의 모노 레이어 구조의 두께는, 0.395 ∼ 0.411 ㎚ 로, 약 0.4 ㎚ 이다. 이와 같이, 접합 계면을 원자 분해능으로 관찰하는 경우, 두께 방향으로 배열하는 이온의 평균 개수, 이온 반경, 및 결정 구조로부터, Mg-O 층 (41) 의 두께가 산출된다.
정리하면, Mg-O 층 (41) 의 두께는, EDX 에 의해 측정된 라인 프로파일로부터, 상기 서술한 방법으로 구해진다. 구해진 Mg-O 층 (41) 의 두께가 1 ㎚ 미만인 경우, 접합 계면을 원자 분해능으로 관찰함으로써, 보다 정확한 Mg-O 층 (41) 의 두께가 구해진다.
이하에, 본 실시형태에 관련된 절연 회로 기판 (10) 의 제조 방법에 대하여, 도 5 및 도 6 을 참조하여 설명한다.
(Mg 배치 공정 S01)
먼저, 질화알루미늄 (AlN) 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (11) 을 준비하고, 도 6 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 Mg 를 배치한다.
본 실시형태에서는, 회로층 (12) 이 되는 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 사이, 및, 금속층 (13) 이 되는 구리판 (23) 과 세라믹스 기판 (11) 사이에, Mg 박 (25) 을 배치 형성하고 있다.
여기서, Mg 배치 공정 S01 에서는, 배치하는 Mg 량을 0.34 ㎎/㎠ 이상 4.35 ㎎/㎠ 이하의 범위 내로 한다.
또한, 배치하는 Mg 량의 하한은 0.52 ㎎/㎠ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.69 ㎎/㎠ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 배치하는 Mg 량의 상한은 3.48 ㎎/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하고, 2.61 ㎎/㎠ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
(적층 공정 S02)
다음으로, 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 을, Mg 박 (25) 을 개재하여 적층함과 함께, 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (23) 을, Mg 박 (25) 을 개재하여 적층한다.
(접합 공정 S03)
다음으로, 적층된 구리판 (22), Mg 박 (25), 세라믹스 기판 (11), Mg 박 (25), 구리판 (23) 을, 적층 방향으로 가압함과 함께, 진공로 내에 장입하여 가열하고, 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 과 구리판 (23) 을 접합한다.
여기서, 접합 공정 S03 에 있어서의 열 처리 조건은, 480 ℃ 이상 650 ℃ 미만의 온도 영역에 있어서의 승온 속도를 5 ℃/min 이상으로 함과 함께, 650 ℃ 이상의 온도에서 30 min 이상 유지한다. 이와 같이 열 처리 조건을 규정함으로써, Cu-Mg 액상을 고온 상태로 유지하는 것이 가능해지고, 계면 반응이 촉진되어, 상기 서술한 Mg-O 층 (41) 이 형성되게 된다.
또한, 480 ℃ 이상 650 ℃ 미만의 온도 영역에 있어서의 승온 속도의 하한은 7 ℃/min 이상으로 하는 것이 바람직하고, 9 ℃/min 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 480 ℃ 이상 650 ℃ 미만의 온도 영역에 있어서의 승온 속도의 상한에 특별히 제한은 없지만, 30 ℃/min 이하로 하는 것이 바람직하고, 15 ℃/min 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 12 ℃/min 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 유지 온도의 하한은 700 ℃ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 720 ℃ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 유지 온도의 상한에 특별히 제한은 없지만, 850 ℃ 이하로 하는 것이 바람직하고, 830 ℃ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 유지 시간의 하한은 45 min 이상으로 하는 것이 바람직하고, 60 min 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 유지 시간의 상한에 특별히 제한은 없지만, 180 min 이하로 하는 것이 바람직하고, 150 min 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 접합 공정 S03 에 있어서의 가압 하중은, 0.049 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 가압 하중의 상한은, 보다 바람직하게는 2.0 ㎫ 이하이고, 더욱 바람직하게는 1.5 ㎫ 이하이다. 가압 하중의 하한은, 보다 바람직하게는 0.19 ㎫ 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.39 ㎫ 이상이다.
또한, 접합 공정 S03 에 있어서의 진공도는, 1 × 10-6 ㎩ 이상 5 × 10-2 ㎩ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 진공도의 상한은, 보다 바람직하게는 1 × 10-2 ㎩ 이하이고, 더욱 바람직하게는 5 × 10-3 ㎩ 이하이다. 진공도의 하한은, 보다 바람직하게는 1 × 10-5 ㎩ 이상이고, 더욱 바람직하게는 1 × 10-4 ㎩ 이상이다.
이상과 같이, Mg 배치 공정 S01 과, 적층 공정 S02 와, 접합 공정 S03 에 의해, 본 실시형태인 절연 회로 기판 (10) 이 제조되게 된다.
(히트 싱크 접합 공정 S04)
다음으로, 절연 회로 기판 (10) 의 금속층 (13) 의 타방의 면측에 히트 싱크 (30) 를 접합한다.
절연 회로 기판 (10) 과 히트 싱크 (30) 를, 땜납재를 개재하여 적층하여 가열로에 장입하고, 땜납층 (32) 을 개재하여 절연 회로 기판 (10) 과 히트 싱크 (30) 를 땜납 접합한다.
(반도체 소자 접합 공정 S05)
다음으로, 절연 회로 기판 (10) 의 회로층 (12) 의 일방의 면에, 반도체 소자 (3) 를 납땜에 의해 접합한다.
상기 서술한 공정에 의해, 도 1 에 나타내는 파워 모듈 (1) 이 제출 (製出) 된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태의 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 에 의하면, 회로층 (12) (또는 금속층 (13)) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면에, Mg-O 층 (41) 이 형성되어 있다. 이 때문에, 접합재로서의 Mg 와 세라믹스 기판 (11) 의 표면에 형성된 산화물이 충분히 반응하고 있고, 회로층 (12) (또는 금속층 (13)) 과 세라믹스 기판 (11) 이 강고하게 접합되어 있다. 또한, 접합 계면에 Mg-O 층 (41) 이 형성되어 있음으로써, 초음파를 부하시켰을 경우에도, 접합 계면에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있고, 회로층 (12) (또는 금속층 (13)) 과 세라믹스 기판 (11) 의 박리를 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시형태의 본 발명의 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 의 제조 방법에 의하면, Mg 배치 공정 S01 에 있어서, 구리판 (22) (또는 구리판 (23)) 과 세라믹스 기판 (11) 사이에 배치하는 Mg 량을 0.34 ㎎/㎠ 이상 4.35 ㎎/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있다. 이 때문에, 계면 반응에 필요한 Cu-Mg 액상을 충분히 얻을 수 있다. 따라서, 구리판 (22) (또는 구리판 (23)) 과 세라믹스 기판 (11) 을 확실하게 접합할 수 있고, 회로층 (12) (또는 금속층 (13)) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 강도를 확보할 수 있다.
그리고, 접합 공정 S03 에 있어서, 480 ℃ 이상 650 ℃ 미만의 온도 영역에 있어서의 승온 속도를 5 ℃/min 이상으로 하고, 650 ℃ 이상의 온도에서 30 min 이상 유지한다. 이 때문에, 구리판 (22) (또는 구리판 (23)) 과 세라믹스 기판 (11) 사이에, 계면 반응에 필요한 Cu-Mg 액상을 일정 시간 이상 유지할 수 있고, 균일한 계면 반응을 촉진시킬 수 있다. 이로써, 회로층 (12) (또는 금속층 (13)) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면에 Mg-O 층 (41) 을 확실하게 형성하는 것이 가능해진다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 것이 아니고, 그 발명의 기술적 요건을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
예를 들어, 본 실시형태에서는, 절연 회로 기판에 반도체 소자가 탑재된 파워 모듈을 구성하는 부재로서 절연 회로 기판을 설명했지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 절연 회로 기판은, 절연 회로 기판의 회로층에 LED 소자가 탑재된 LED 모듈을 구성하는 부재로 해도 되고, 절연 회로 기판의 회로층에 열전 소자가 탑재된 열전 모듈을 구성하는 부재로 해도 된다.
또한, 본 실시형태의 절연 회로 기판에서는, 회로층과 금속층이 모두 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판에 의해 구성된 것으로 하여 설명했지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 회로층과 세라믹스 기판이 본 실시형태의 구리/세라믹스 접합체이면, 금속층의 재질이나 접합 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 금속층이 없어도 되고, 금속층이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어져 있어도 되고, 구리와 알루미늄의 적층체여도 된다.
한편, 금속층과 세라믹스 기판이 본 실시형태의 구리/세라믹스 접합체이면, 회로층의 재질이나 접합 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 회로층이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어져 있어도 되고, 구리와 알루미늄의 적층체여도 된다.
또한, 본 실시형태에서는, Mg 배치 공정에 있어서, 구리판과 세라믹스 기판 사이에, Mg 박을 적층하는 것으로 설명했지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 세라믹스 기판 및 구리판의 접합면에, Mg 로 이루어지는 박막을, 스퍼터법이나 증착법 등에 의해 성막해도 된다.
실시예
이하에, 본 실시형태의 효과를 확인하기 위하여 실시한 확인 실험의 결과에 대하여 설명한다.
먼저, 질화알루미늄 (AlN) 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜ × 0.635 ㎜) 을 준비하였다.
이 세라믹스 기판의 양면에, Mg 박을 개재하여, 무산소 구리로 이루어지는 구리판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.3 ㎜) 을 적층하였다. 표 1 에 나타내는 조건으로 구리판과 세라믹스 기판을 가열 처리하여 접합하여, 절연 회로 기판 (구리/세라믹스 접합체) 을 얻었다. 또한, 접합시의 진공로의 진공도는 5 × 10-3 ㎩ 로 하였다.
얻어진 절연 회로 기판 (구리/세라믹스 접합체) 에 대하여, 접합 계면에 있어서의 Mg-O 층의 유무, 초기 접합률, 냉열 사이클 부하 후의 세라믹스 기판의 균열, 초음파 접합성에 대하여, 이하와 같이 하여 평가하였다.
(Mg-O 층)
얻어진 절연 회로 기판 (구리/세라믹스 접합체) 의 구리판과 세라믹스 기판의 적층 방법을 따른 단면에 있어서, 구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면의 중앙부로부터 관찰 시료를 채취하였다. 구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을, 주사형 투과 전자 현미경 (FEI 사 제조 Titan ChemiSTEM) 을 사용하여, 가속 전압 200 ㎸, 배율 80000 배로 측정하고, 에너지 분산형 X 선 분석법 (서모 사이언티픽사 제조 NSS7) 에 의해, Mg 와 O 의 원소 매핑을 취득하였다. Mg 와 O 가 동일 영역에 존재하는 경우에 Mg-O 층이 있는 것으로 판단하였다.
(초기 접합률)
구리판과 세라믹스 기판의 접합률을 평가하였다. 구체적으로는, 절연 회로 기판에 있어서, 구리판과 세라믹스 기판의 계면의 접합률에 대하여 초음파 탐상 장치 (주식회사 히타치 파워 솔루션즈 제조 FineSAT200) 를 사용하여 평가하고, 이하의 식으로부터 초기 접합률을 산출하였다. 여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적, 즉 회로층의 면적으로 하였다. 초음파 탐상 이미지를 2 치화 처리한 화상에 있어서, 박리는 접합부 내의 백색부로 나타나는 것으로부터, 이 백색부의 면적을 박리 면적 (비접합부 면적) 으로 하였다.
(초기 접합률) = {(초기 접합 면적) - (비접합부 면적)}/(초기 접합 면적) × 100
(냉열 사이클 부하 후의 세라믹스 기판의 균열)
냉동고와 가열로를 준비하고, 각각의 내부를 이하의 온도로 하였다. 얻어진 절연 회로 기판 (구리/세라믹스 접합체) 을, -78 ℃ 의 냉동고 내에 2 분간 유지하고, 이어서, 350 ℃ 의 가열로 내에 2 분간 유지하였다. 이 작업을 10 회 반복하였다. 그 후, SAT (Scanning acoustic tomography) 검사에 의해, 구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을 검사하고, 세라믹스 균열의 유무를 판정하였다. 또한, SAT 검사란, 초음파 탐상 장치를 사용하여, 접합 계면의 초음파 탐상 이미지를 얻는 검사이다. 평가 결과를 표 1 의 항목 "세라믹스 균열의 유무" 에 나타낸다.
-78 ℃ × 2 min ←→ 350 ℃ × 2 min 을 10 회
(초음파 접합성)
얻어진 절연 회로 기판 (구리/세라믹스 접합체) 에 대하여, 초음파 금속 접합기 (쵸옴파 공업 주식회사 제조 : 60C-904) 를 사용하여, 구리 단자 (10 ㎜ × 5 ㎜ × 1 ㎜ 두께) 를 콜랩스량 0.3 ㎜ 의 조건으로 초음파 접합하였다.
접합 후에, 초음파 탐상 장치 (주식회사 히타치 파워 솔루션즈 제조 FineSAT200) 를 사용하여, 구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을 검사하고, 박리 또는 세라믹스 균열이 관찰된 것을 「×」 (poor) 라고 평가하고, 박리와 세라믹스 균열의 어느 것도 확인되지 않은 것을 「○」 (good) 라고 평가하였다. 평가 결과를 표 1 에 나타낸다.
Figure pct00001
480 ℃ 이상 650 ℃ 미만의 온도 영역에 있어서의 승온 속도가 3 ℃/min 가 된 비교예에 있어서는, 접합 계면에 Mg-O 층이 형성되지 않았다. 이 때문에, 초기 접합률이 낮고, 또한, 냉열 사이클 부하시에 세라믹스 균열이 발생하였다. 또한, 초음파 접합을 실시했을 때에, 구리판과 세라믹스 기판의 박리가 확인되었다.
이에 반하여, 접합 계면에 Mg-O 층이 형성된 본 발명예 1 ∼ 8 에 있어서는, 초기 접합률이 높아, 세라믹스 기판과 구리판을 강고하게 접합할 수 있었다. 또한, 냉열 사이클 부하 후의 세라믹스 균열의 발생이 억제되어 있어, 냉열 사이클 신뢰성이 우수하였다. 또한, 초음파 접합을 실시했을 때에, 구리판과 세라믹스 기판의 박리가 확인되지 않아, 초음파 접합성이 우수하였다.
이상의 결과, 본 발명예에 의하면, 초음파 접합을 실시했을 경우에도, 세라믹스 부재와 구리 부재의 박리를 억제하는 것이 가능한 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및, 절연 회로 기판의 제조 방법을 제공 가능하다는 것이 확인되었다.
산업상 이용가능성
본 실시형태에 의하면, 초음파 접합을 실시했을 경우에도, 세라믹스 부재와 구리 부재의 박리를 억제하는 것이 가능한 구리/세라믹스 접합체 (절연 회로 기판) 를 제공할 수 있다. 이 때문에, 본 실시형태는, 절연 회로 기판에, 파워 반도체 소자, LED 소자, 또는 열전 소자가 접합된 파워 모듈, LED 모듈, 또는 열전 모듈에 바람직하게 적용할 수 있다.
10 ; 절연 회로 기판 (구리/세라믹스 접합체)
11 ; 세라믹스 기판 (세라믹스 부재)
12 ; 회로층 (구리 부재)
13 ; 금속층 (구리 부재)
41 ; Mg-O 층

Claims (4)

  1. 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 부재를 갖고,
    상기 구리 부재와, 상기 세라믹스 부재는 접합되고,
    상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면에, Mg-O 층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  2. 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판과, 질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 기판을 갖고,
    상기 세라믹스 기판의 표면에, 상기 구리판이 접합되고,
    상기 구리판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에, Mg-O 층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
  3. 제 1 항에 기재된 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법으로서,
    상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재 사이에, Mg 를 배치하는 Mg 배치 공정과,
    상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를 Mg 를 개재하여 적층하는 적층 공정과,
    Mg 를 개재하여 적층된 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재를 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에 있어서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정을 구비하고 있고,
    상기 Mg 배치 공정에서는, Mg 량을 0.34 ㎎/㎠ 이상 4.35 ㎎/㎠ 이하의 범위 내로 하고,
    상기 접합 공정에서는, 480 ℃ 이상 650 ℃ 미만의 온도 영역에 있어서의 승온 속도가 5 ℃/min 이상이 됨과 함께, 650 ℃ 이상의 온도에서 30 min 이상 유지하는 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법.
  4. 제 2 항에 기재된 절연 회로 기판의 제조 방법으로서,
    상기 구리판과 상기 세라믹스 기판 사이에, Mg 를 배치하는 Mg 배치 공정과,
    상기 구리판과 상기 세라믹스 기판을 Mg 를 개재하여 적층하는 적층 공정과,
    Mg 를 개재하여 적층된 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판을 적층 방향으로 가압한 상태에서, 진공 분위기하에 있어서 가열 처리하여 접합하는 접합 공정을 구비하고 있고,
    상기 Mg 배치 공정에서는, Mg 량을 0.34 ㎎/㎠ 이상 4.35 ㎎/㎠ 이하의 범위 내로 하고,
    상기 접합 공정에서는, 480 ℃ 이상 650 ℃ 미만의 온도 영역에 있어서의 승온 속도가 5 ℃/min 이상이 됨과 함께, 650 ℃ 이상의 온도에서 30 min 이상 유지하는 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판의 제조 방법.
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