KR20220054597A - 구리/세라믹스 접합체, 및, 절연 회로 기판 - Google Patents

구리/세라믹스 접합체, 및, 절연 회로 기판 Download PDF

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KR20220054597A
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노부유키 데라사키
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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

이 구리/세라믹스 접합체 (10) 는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재 (12, 13) 와, 세라믹스 부재 (11) 가 접합되어 이루어지며, 구리 부재 (12, 13) 와 세라믹스 부재 (11) 의 접합 계면으로부터 구리 부재 (12, 13) 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Al, Si, Zn, Mn 의 합계 농도가 3 원자% 이하이다.

Description

구리/세라믹스 접합체, 및, 절연 회로 기판
이 발명은, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 세라믹스 부재가 접합되어 이루어지는 구리/세라믹스 접합체, 및, 세라믹스 기판의 표면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합되어 이루어지는 절연 회로 기판에 관한 것이다.
본원은, 2019년 9월 2일에, 일본에 출원된 일본 특허출원 2019-159566호, 2020년 8월 6일에, 일본에 출원된 일본 특허출원 2020-134070호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
파워 모듈, LED 모듈 및 열전 모듈에 있어서는, 절연층의 일방의 면에 도전재료로 이루어지는 회로층을 형성한 절연 회로 기판에, 파워 반도체 소자, LED 소자 및 열전 소자가 접합된 구조로 되어 있다.
풍력 발전, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등을 제어하기 위해서 사용되는 대전력 제어용의 파워 반도체 소자는, 동작 시의 발열량이 많다는 점에서, 이것을 탑재하는 기판으로는, 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 제공되고 있다.
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 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, 용융한 브레이징재와 세라믹스 기판의 젖음성이 향상되어, 세라믹스 기판과 구리판이 양호하게 접합된다.
특허문헌 1 에 기재된 활성 금속 브레이징법에 의해 세라믹스 기판과 구리판을 접합한 경우에는, 세라믹스 기판과 구리판의 접합 계면에 TiN 층이 형성된다. 이 TiN 층은 단단하여 부서지기 쉽기 때문에, 냉열 사이클 부하 시에 세라믹스 기판에 균열이 발생할 우려가 있었다.
특허문헌 2 에 있어서는, Cu-Mg-Ti 계 브레이징재를 사용하여, 세라믹스 기판과 구리판을 접합한 절연 회로 기판이 제안되어 있다.
이 특허문헌 2 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 형성하지 않는 것으로 되어 있다.
일본 특허공보 제3211856호 일본 특허공보 제4375730호
최근에는, 절연 회로 기판에 탑재되는 반도체 소자의 발열 온도가 높아지는 경향이 있으며, 절연 회로 기판에는, 종래보다 더 한층, 혹독한 냉열 사이클에 견딜 수 있는 냉열 사이클 신뢰성이 요구되고 있다.
특허문헌 2 와 같이, Cu-Mg-Ti 계 브레이징재를 사용한 경우에는, 접합 계면에는 Cu 와 Mg 의 액상이 생긴다. 여기서, 접합 계면에 있어서 불순물 원소가 많이 존재하면, 접합 계면의 액상이 응고했을 때에 미세한 금속간 화합물이 석출하고, 세라믹스 기판과 구리판의 접합 계면 근방이 석출 경화한다. 이 때문에, 혹독한 냉열 사이클을 부하했을 때에, 세라믹스 기판에 균열이 발생할 우려가 있었다.
이 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 혹독한 냉열 사이클을 부하한 경우이더라도, 세라믹스 부재에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있고, 냉열 사이클 신뢰성이 우수한 구리/세라믹스 접합체, 및, 이 구리/세라믹스 접합체로 이루어지는 절연 회로 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 양태의 구리/세라믹스 접합체 (이하, 「본 발명의 구리/세라믹스 접합체」 라고 칭한다) 는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 세라믹스 부재가 접합되어 이루어지는 구리/세라믹스 접합체로서, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면으로부터 상기 구리 부재 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Al, Si, Zn, Mn 의 합계 농도가 3 원자% 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 구리/세라믹스 접합체에 의하면, 접합 계면에 있어서, 불순물 원소 (Al, Si, Zn, Mn) 의 농도가 충분히 낮고, 접합 계면에 있어서 미세한 금속간 화합물의 석출을 억제할 수 있어, 세라믹스 부재와 구리 부재의 접합 계면 근방이 석출 경화하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 혹독한 냉열 사이클을 부하한 경우에도, 세라믹스 부재에 있어서의 균열의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
본 발명의 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면으로부터 상기 구리 부재 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Al 의 농도가 2 원자% 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 접합 계면에 있어서 불순물 원소인 Al 의 농도가 상기 서술한 바와 같이 규제되어 있으므로, 세라믹스 부재와 구리 부재의 접합 계면 근방이 석출 경화하는 것을 더욱 억제할 수 있다.
본 발명의 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면으로부터 상기 구리 부재 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Si 의 농도가 2 원자% 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 접합 계면에 있어서 불순물 원소인 Si 의 농도가 상기 서술한 바와 같이 규제되어 있으므로, 세라믹스 부재와 구리 부재의 접합 계면 근방이 석출 경화하는 것을 더욱 억제할 수 있다.
본 발명의 구리/세라믹스 접합체에 있어서는, 상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면으로부터 상기 구리 부재 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Zn 과 Mn 의 합계 농도가 2 원자% 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 접합 계면에 있어서 불순물 원소인 Zn 과 Mn 의 합계 농도가 상기 서술한 바와 같이 규제되어 있으므로, 세라믹스 부재와 구리 부재의 접합 계면 근방이 석출 경화하는 것을 더욱 억제할 수 있다.
본 발명의 다른 양태의 절연 회로 기판 (이하, 「본 발명의 절연 회로 기판」 이라고 칭한다) 은, 세라믹스 기판의 표면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합되어 이루어지는 절연 회로 기판으로서, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면으로부터 상기 구리판 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Al, Si, Zn, Mn 의 합계 농도가 3 원자% 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 절연 회로 기판에 의하면, 접합 계면에 있어서, 불순물 원소 (Al, Si, Zn, Mn) 의 농도가 충분히 낮고, 접합 계면에 있어서 미세한 금속간 화합물의 석출을 억제할 수 있고, 세라믹스 기판과 구리판의 접합 계면 근방이 석출 경화하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 혹독한 냉열 사이클을 부하한 경우에도, 세라믹스 기판에 있어서의 균열의 발생을 억제하는 것이 가능해지고, 냉열 사이클 신뢰성이 우수하다.
본 발명의 절연 회로 기판에 있어서는, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면으로부터 상기 구리판 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Al 의 농도가 2 원자% 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 접합 계면에 있어서 불순물 원소인 Al 의 농도가 상기 서술한 바와 같이 규제되어 있으므로, 세라믹스 기판과 구리판의 접합 계면 근방이 석출 경화하는 것을 더욱 억제할 수 있다.
본 발명의 절연 회로 기판에 있어서는, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면으로부터 상기 구리판 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Si 의 농도가 2 원자% 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 접합 계면에 있어서 불순물 원소인 Si 의 농도가 상기 서술한 바와 같이 규제되어 있으므로, 세라믹스 기판과 구리판의 접합 계면 근방이 석출 경화하는 것을 더욱 억제할 수 있다.
본 발명의 절연 회로 기판에 있어서는, 상기 구리판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면으로부터 상기 구리판 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Zn 과 Mn 의 합계 농도가 2 원자% 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 접합 계면에 있어서 불순물 원소인 Zn 과 Mn 의 합계 농도가 상기 서술한 바와 같이 규제되어 있으므로, 세라믹스 기판과 구리판의 접합 계면 근방이 석출 경화하는 것을 더욱 억제할 수 있다.
본 발명에 의하면, 혹독한 냉열 사이클을 부하한 경우이더라도, 세라믹스 부재에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있고, 냉열 사이클 신뢰성이 우수한 구리/세라믹스 접합체, 및, 이 구리/세라믹스 접합체로 이루어지는 절연 회로 기판을 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 제조 방법의 플로도이다.
도 4 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 절연 회로 기판의 제조 방법의 개략 설명도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해서 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 실시형태에 관련된 구리/세라믹스 접합체는, 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재로서의 세라믹스 기판 (11) 과, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재로서의 구리판 (22) (회로층 (12)) 및 구리판 (23) (금속층 (13)) 이 접합되어 이루어지는 절연 회로 기판 (10) 이다. 도 1 에, 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 구성되어 있다. 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 솔더재로 구성되어 있다.
히트 싱크 (30) 는, 전술한 절연 회로 기판 (10) 으로부터의 열을 방산한다. 이 히트 싱크 (30) 는, 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있고, 본 실시형태에서는 인탈산구리로 구성되어 있다. 이 히트 싱크 (30) 에는, 냉각용 유체가 흐르기 위한 유로 (31) 가 형성되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 히트 싱크 (30) 와 금속층 (13) 이, 솔더재로 이루어지는 솔더층 (32) 에 의해 접합되어 있다. 이 솔더층 (32) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 솔더재로 구성되어 있다.
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 질화규소 (Si3N4), 질화알루미늄 (AlN), 알루미나 (Al2O3) 등의 세라믹스로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (11) 은, 특히 방열성이 우수한 질화알루미늄 (AlN) 으로 구성되어 있다. 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 4 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 4 에 있어서 상면) 에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (22) 이 접합됨으로써 형성되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 은, 무산소구리의 압연판이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
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.
구리판 (22) 에 있어서의 불순물 (Al, Si, Zn, Mn) 의 합계 농도는, 0.1 mass% 이하가 바람직하고, 0.04 mass% 이하가 보다 바람직하다.
구리판 (22) 으로서, 터프 피치 구리를 사용할 수도 있다.
금속층 (13) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 4 에 있어서 하면) 에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판 (23) 이 접합됨으로써 형성되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 은, 무산소구리의 압연판이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.
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.
구리판 (23) 에 있어서의 불순물 (Al, Si, Zn, Mn) 의 합계 농도는, 0.1 mass% 이하가 바람직하고, 0.04 mass% 이하가 보다 바람직하다.
구리판 (23) 으로서, 터프 피치 구리를 사용할 수도 있다.
세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속층 (13)) 의 접합 계면에 있어서는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (및 금속층 (13)) 의 접합 계면으로부터 회로층 (12) (및 금속층 (13)) 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에 있어서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Al, Si, Zn, Mn 의 합계 농도가 3 원자% 이하로 되어 있다. 이에 따라, 접합 계면에 있어서 미세한 금속간 화합물의 석출을 억제할 수 있고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (및 금속층 (13)) 의 접합 계면 근방이 석출 경화하는 것을 억제하고, 냉열 사이클 부하 시의 세라믹스 기판 (11) 의 균열의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
보다 혹독한 환경하에서도 세라믹스 기판 (11) 균열의 발생을 억제하기 위해서는, Al, Si, Zn, Mn 의 합계 농도는, 2 원자% 이하인 것이 바람직하다.
본 실시형태에 있어서는, 상기 서술한 바와 같이 측정된 Al 의 농도가 2 원자% 이하로 되어 있는 것이 바람직하고, 1.5 원자% 이하로 되어 있는 것이 보다 바람직하다.
상기 서술한 바와 같이 측정된 Si 의 농도가 2 원자% 이하로 되어 있는 것이 바람직하고, 1.5 원자% 이하로 되어 있는 것이 보다 바람직하다.
상기 서술한 바와 같이 측정된 Zn 과 Mn 의 합계 농도가 2 원자% 이하로 되어 있는 것이 바람직하고, 1 원자% 이하로 되어 있는 것이 보다 바람직하다.
이하에, 본 실시형태에 관련된 절연 회로 기판 (10) 의 제조 방법에 대해서, 도 3 및 도 4 를 참조하여 설명한다.
(세라믹스 기판 세정 공정 S01)
먼저, 세라믹스 기판 (11) 을 준비하고, 이 세라믹스 기판 (11) 의 접합면의 세정을 실시한다. 본 실시형태에 있어서는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 처리액 (51) 을 사용하여 세라믹스 기판 (11) 의 표면을 세정한다. 세라믹스 기판 (11) 의 표면은, 처리액 (51) 에 세라믹스 기판 (11) 을 침지시킴으로써 세정해도 된다. 처리 조건은 사용하는 처리액 (51) 에 따라 설정하는 것이 바람직하다. 이하에, 각종 처리액을 사용했을 경우의 처리 조건을 나타낸다.
염산을 사용하는 경우에는, HCl 의 농도를 8 mass% 이상 20 mass% 이하, 처리 온도를 28 ℃ 이상 40 ℃ 이하, 처리 시간을 3 분 이상 10 분 이하로 한다.
질산을 사용하는 경우에는, HNO3 의 농도를 5 mass% 이상 30 mass% 이하로 한 수용액으로 하고, 처리 온도를 28 ℃ 이상 40 ℃ 이하, 처리 시간을 3 분 이상 10 분 이하로 한다.
수산화나트륨 수용액을 사용하는 경우에는, NaOH 의 농도를 1 mass% 이상 4 mass% 이하, 처리 온도를 28 ℃ 이상 40 ℃ 이하, 처리 시간을 1 분 이상 5 분 이하로 한다.
탄산수소나트륨 수용액을 사용하는 경우에는, NaHCO3 의 농도를 1 mass% 이상 4 mass% 이하, 처리 온도를 28 ℃ 이상 40 ℃ 이하, 처리 시간을 1 분 이상 5 분 이하로 한다.
(접합재 배치 공정 S02)
다음으로, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (12) 으로 이루어지는 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 의 사이, 및, 금속층 (13) 으로 이루어지는 구리판 (23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 사이에, 각각 접합재를 배치한다.
접합재로는, Mg 단독, Mg 와 활성 금속 (Ti, Zr, Hf, Nb 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상) 의 조합이나, Mg 와 Cu 가 조합한 접합재를 사용할 수 있다.
접합재는, 페이스트나 박재 (箔材) 로서 구리판과 세라믹스 기판의 사이에 배치할 수 있다. 페이스트를 사용하는 경우, 페이스트의 필러로서 Mg (Mg 분말) 나 활성 금속 (활성 금속 분말) 을 사용할 수 있다. 필러로서 이들의 수소화물을 사용할 수도 있다.
박재를 사용하는 경우, Mg 박과 활성 금속박을 각각 겹쳐 배치할 수 있다. 또, Mg 와 활성 금속의 합금박을 사용할 수도 있다. 또한, Mg 박과 활성 금속박을 클래드로서 사용할 수도 있다.
구리판과 세라믹스 기판의 사이에, Mg 증착막, 또는, Mg 와 활성 금속의 증착막을 배치하고, 이것을 접합재로 해도 된다. 증착막은, 구리판 또는 세라믹스 기판의 적어도 일방에 형성할 수도 있고, 양방에 형성할 수도 있다. Mg 와 활성 금속의 증착막으로 하는 경우, 공증착으로 해도 되고, Mg 와 활성 금속을 각각 증착하고, 적층한 막으로 해도 된다. 증착막은, 예를 들어, 스퍼터법이나 증착법으로 형성할 수 있다.
접합재로서 활성 금속을 사용하는 경우, 활성 금속의 양이 0.4 μmol/㎠ 이상 18.8 μmol/㎠ 이하가 되도록 배치하면 된다. 이 경우, Mg 의 양은 14 μmol/㎠ 이상 86 μmol/㎠ 이하로 하면 된다.
활성 금속을 배치 형성한 경우에는, 세라믹스 기판과의 반응에 의해 접합 계면에 있어서의 Al 농도 및 Si 농도가 상승할 우려가 있기 때문에, 세라믹스 기판의 청정이나 배치하는 Mg, 활성 금속, Cu 에 있어서의 불순물량을 충분히 제어할 필요가 있다.
배치하는 Mg 에 있어서의 순도는 99.0 % 이상으로 하는 것이 바람직하고, 불순물 (Al, Si, Zn, Mn) 의 합계 농도는 1.0 mass% 이하가 바람직하고, 0.3 mass% 이하가 보다 바람직하다.
배치하는 활성 금속에 있어서의 순도는 99.2 % 이상으로 하는 것이 바람직하고, 불순물 (Al, Si, Zn, Mn) 의 합계 농도는 0.5 mass% 이하가 바람직하고, 0.3 mass% 이하가 보다 바람직하다.
이들 불순물의 농도 및 순도는 ICP 발광 분광 분석법으로 측정할 수 있다.
Mg 와 Cu 가 조합한 접합재를 사용하는 경우에는, 활성 금속을 사용하는 경우와 동일하게 하여 사용할 수 있다.
본 실시형태에서는, 구리판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 의 사이, 및, 구리판 (23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 사이에, 각각 Mg 박 (25) 을 배치하고 있다.
Mg 박 (25) 에 있어서는, Al, Si, Zn, Mn 의 합계 농도가 1 mass% 이하로 제한되어 있다.
이 접합재 배치 공정 S02 에서는, 배치하는 Mg 량을 7 μmol/㎠ 이상 143 μmol/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있다.
(적층 공정 S03)
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 S04)
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.
접합 공정 S04 에 있어서의 가압 하중은, 0.049 ㎫ 이상 3.4 ㎫ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
접합 공정 S04 에 있어서의 가열 온도는, 500 ℃ 이상 850 ℃ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 가열 온도에서의 유지 시간은, 5 min 이상 180 min 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
접합 공정 S04 에 있어서의 진공도는, 1 × 10-6 Pa 이상 5 × 10-2 Pa 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 세라믹스 기판 세정 공정 S01, 접합재 배치 공정 S02 와, 적층 공정 S03 과, 접합 공정 S04 에 의해, 본 실시형태인 절연 회로 기판 (10) 이 제조된다.
(히트 싱크 접합 공정 S05)
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, 솔더재를 개재하여 적층하여 가열로에 장입하고, 제 2 솔더층 (32) 을 개재하여 절연 회로 기판 (10) 과 히트 싱크 (30) 를 솔더 접합한다.
(반도체 소자 접합 공정 S06)
다음으로, 절연 회로 기판 (10) 의 회로층 (12) 의 일방의 면에, 반도체 소자 (3) 를 솔더링에 의해 접합한다.
상기 서술한 공정에 의해, 도 1 에 나타내는 파워 모듈 (1) 이 만들어진다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태의 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 에 의하면, 회로층 (12) (및 금속층 (13)) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면으로부터 회로층 (12) 측 (및 금속층 (13) 측) 으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Al, Si, Zn, Mn 의 합계 농도가 3 원자% 이하로 되어 있으므로, 접합 계면에 있어서, 불순물 원소 (Al, Si, Zn, Mn) 의 농도가 충분히 낮고, 접합 계면에 있어서 미세한 금속간 화합물의 석출을 억제할 수 있고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (및 금속층 (13)) 의 접합 계면 근방이 석출 경화하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 혹독한 냉열 사이클을 부하한 경우에도, 세라믹스 기판 (11) 에 있어서의 균열의 발생을 억제하는 것이 가능해져, 냉열 사이클 신뢰성이 우수한 절연 회로 기판 (10) 을 얻을 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 상기 서술한 접합 계면에 있어서의 Al 의 농도가 2 원자% 이하로 제한되어 있는 경우, 혹은, 상기 서술한 접합 계면에 있어서의 Si 의 농도가 2 원자% 이하로 제한되어 있는 경우, 또한, 상기 서술한 Zn 과 Mn 의 합계 농도가 2 원자% 이하로 제한되어 있는 경우에는, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (및 금속층 (13)) 의 접합 계면 근방이 석출 경화하는 것을 더욱 억제할 수 있다.
본 실시형태에 있어서는, 세라믹스 기판 세정 공정 S01 에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 의 접합면을 세정함과 함께, 접합재 배치 공정 S02 에 있어서, 배치 형성하는 Mg 에 있어서의 불순물 (Al, Si, Zn, Mn) 의 합계 농도를 1 mass% 이하로 제한하고 있으므로, 상기 서술한 접합 계면에 있어서의 불순물 (Al, Si, Zn, Mn) 의 합계 농도를 3 원자% 이하로 하는 것이 가능해진다.
본 실시형태에서는, 접합재 배치 공정 S02 에 있어서, Mg 량을 7 μmol/㎠ 이상 143 μmol/㎠ 이하의 범위 내로 하고 있으므로, 계면 반응에 필요한 액상을 충분히 얻을 수 있다.
따라서, 구리판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 이 확실하게 접합된 절연 회로 기판 (10) (구리/세라믹스 접합체) 을 얻을 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지는 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
예를 들어, 본 실시형태에서는, 절연 회로 기판에 반도체 소자를 탑재하여 파워 모듈을 구성하는 것으로서 설명하였지만, 이것에 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.
본 실시형태의 절연 회로 기판에서는, 회로층과 금속층이 함께 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판에 의해 구성된 것으로서 설명하였지만, 이것에 한정되는 일은 없다.
예를 들어, 회로층과 세라믹스 기판이 본 발명의 구리/세라믹스 접합체로 구성되어 있으면, 금속층의 재질이나 접합 방법에 한정은 없으며, 금속층이 없어도 되고, 금속층이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되어 있어도 되고, 구리와 알루미늄의 적층체로 구성되어 있어도 된다.
한편, 금속층과 세라믹스 기판이 본 발명의 구리/세라믹스 접합체로 구성되어 있으면, 회로층의 재질이나 접합 방법에 한정은 없으며, 회로층이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되어 있어도 되고, 구리와 알루미늄의 적층체로 구성되어 있어도 된다.
본 실시형태의 절연 회로 기판에서는, 세라믹스 기판으로서, 질화알루미늄 (AlN) 으로 구성된 것을 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되는 일은 없고, 알루미나 (Al2O3), 질화규소 (Si3N4) 등의 다른 세라믹스 기판을 사용한 것이어도 된다.
실시예
이하에, 본 발명의 효과를 확인하기 위해서 실시한 확인 실험의 결과에 대해서 설명한다.
먼저, 표 1, 2 에 기재된 세라믹스 기판 (40 ㎜ × 40 ㎜) 을 준비하였다. 두께는, AlN 및 Al2O3 은 0.635 ㎜, Si3N4 는 0.32 ㎜ 로 하였다.
그리고, 표 1, 2 에 나타내는 처리액을 사용하여 이하의 조건으로, 세라믹스 기판의 표면을 세정 처리하였다.
표 1, 2 에 있어서 「HCl」 은, HCl 의 농도가 12 mass% 인 염산을 사용하여, 처리 온도 35 ℃, 처리 시간 5 분의 조건으로 실시하였다.
표 1, 2 에 있어서 「HNO3」 은, HNO3 의 농도가 10 mass% 인 수용액을 사용하여, 처리 온도 35 ℃, 처리 시간 7 분의 조건으로 실시하였다.
표 1, 2 에 있어서 「NaOH」 는, NaOH 의 농도가 1 mass% 인 수용액을 사용하여, 처리 온도 30 ℃, 처리 시간 1 분의 조건으로 실시하였다.
표 1, 2 에 있어서 「NaHCO3」 은, NaHCO3 의 농도가 1.5 mass% 인 수용액을 사용하여, 처리 온도 30 ℃, 처리 시간 1 분의 조건으로 실시하였다.
비교예 1, 3, 11, 13 에서는, 세라믹스 기판의 세정 처리를 실시하지 않았다.
비교예 2, 12 에서는, HNO3 의 농도가 2 mass% 인 수용액을 사용하여, 처리 온도 35 ℃, 처리 시간 20 분의 조건으로 실시하였다.
비교예 4 에서는, NaOH 의 농도가 8 mass% 인 수용액을 사용하여, 처리 온도 30 ℃, 처리 시간 3 분의 조건으로 실시하였다.
비교예 5, 14 에서는, HCl 의 농도가 3 mass% 인 염산을 사용하여, 처리 온도 35 ℃, 처리 시간 1 분의 조건으로 실시하였다.
비교예 15 에서는, NaHCO3 의 농도가 0.5 mass% 인 수용액을 사용하여, 처리 온도 30 ℃, 처리 시간 3 분의 조건으로 실시하였다.
상기 서술한 바와 같이, 세정 처리를 실시한 세라믹스 기판의 양면에, 무산소구리로 이루어지는 구리판 (37 ㎜ × 37 ㎜ × 두께 0.3 ㎜) 을, 표 1, 2 에 나타내는 접합재를 사용하여, 구리판과 세라믹스 기판을 접합하고, 절연 회로 기판 (구리/세라믹스 접합체) 을 얻었다. 접합 시의 진공로의 진공도는 3 × 10-3 Pa, 접합 온도를 800 ℃, 유지 시간을 60 분, 가압 하중을 0.98 ㎫ 로 하였다.
접합재로서 사용한 각 원소의 원료의 순도를 표 1, 2 에 나타낸다. 접합재는 박재를 사용하였다.
얻어진 절연 회로 기판 (구리/세라믹스 접합체) 에 대해, 접합 계면 근방의 불순물 농도, 및, 냉열 사이클 부하 후의 세라믹스 기판의 균열에 대해, 이하와 같이 하여 평가하였다.
(접합 계면에 있어서의 불순물 농도)
주사형 투과 전자 현미경 (FEI 사 제조 Titan ChemiSTEM) 및 EDS 검출기 (서모사이언티픽사 제조 NSS7) 를 사용하여, 구리판과 세라믹 기판의 접합 계면 근방의 농도 측정을 실시하였다.
가속 전압 200 ㎸ 에 있어서, 접합 계면으로부터 구리판 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 하고, 활성 금속 (Ti, Zr, Nb, Hf), Al, Si, Zn, Mn 의 각 농도를 측정하였다. 측정은 5 개 지점에서 실시하고, 측정한 5 개 지점의 평균을, 각 원소의 접합 계면의 농도로 하였다. 평가 결과를 표 1, 2 에 나타낸다.
(냉열 사이클 부하 후의 세라믹스 기판의 균열)
세라믹스 기판의 재질에 따라 하기의 분위기를 통로 (通爐) 시킨 후, SAT 검사에 의해, 구리판과 세라믹스 기판의 접합 계면을 검사하고, 세라믹스 균열의 유무를 판정하였다. 평가 결과를 표 1 에 나타낸다.
AlN, Al2O3 의 경우 : -78 ℃ × 2 min ←→ 350 ℃ × 2 min 을 10 회
Si3N4 의 경우 : -78 ℃ × 2 min ←→ 350 ℃ × 2 min 을 20 회
Figure pct00001
Figure pct00002
접합 계면에 있어서 Al, Si, Zn, Mn 의 합계 농도가 3 원자% 를 초과한 비교예 1 - 5 및 비교예 11 - 15 에 있어서는, 냉열 사이클 부하 후에 세라믹스 기판의 균열이 확인되었다.
비교예 1, 3, 11, 13 에서는, 세라믹스 기판의 표면의 세정 처리를 실시하지 않고, 또, 접합재에 있어서의 원소의 순도가 낮았기 때문에, 접합 계면에 있어서 Al, Si, Zn, Mn 의 합계 농도가 3 원자% 를 초과하고, 냉열 사이클 부하 후에 세라믹스 기판의 균열이 확인되었다.
비교예 2, 4, 5, 12, 14, 15 에서는, 세라믹스 기판의 표면 처리를 실시하기는 했지만, 접합재에 있어서의 원소 (Mg) 의 순도가 낮았기 때문에, 접합 계면에 있어서 Al, Si, Zn, Mn 의 합계 농도가 3 원자% 를 초과하고, 냉열 사이클 부하 후에 세라믹스 기판의 균열이 확인되었다.
이에 반해, 접합 계면에 있어서 Al, Si, Zn, Mn 의 합계 농도가 3 원자% 이하로 제한된 본 발명예 1 - 8 및 본 발명예 11 - 18 에 있어서는, 냉열 사이클 부하 후에 세라믹스 기판의 균열이 확인되지 않았다.
이상의 결과, 본 발명예에 의하면, 혹독한 냉열 사이클을 부하한 경우이더라도, 세라믹스 부재에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있고, 냉열 사이클 신뢰성이 우수한 구리/세라믹스 접합체, 및, 이 구리/세라믹스 접합체로 이루어지는 절연 회로 기판을 제공 가능한 것이 확인되었다.
산업상 이용가능성
본 발명에 의하면, 혹독한 냉열 사이클을 부하한 경우이더라도, 세라믹스 부재에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있고, 냉열 사이클 신뢰성이 우수한 구리/세라믹스 접합체, 및, 이 구리/세라믹스 접합체로 이루어지는 절연 회로 기판을 제공할 수 있다.
10 : 절연 회로 기판 (구리/세라믹스 접합체)
11 : 세라믹스 기판 (세라믹스 부재)
12 : 회로층 (구리 부재)
13 : 금속층 (구리 부재)

Claims (8)

  1. 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리 부재와, 세라믹스 부재가 접합되어 이루어지는 구리/세라믹스 접합체로서,
    상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면으로부터 상기 구리 부재 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Al, Si, Zn, Mn 의 합계 농도가 3 원자% 이하인 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면으로부터 상기 구리 부재 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Al 의 농도가 2 원자% 이하인 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면으로부터 상기 구리 부재 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Si 의 농도가 2 원자% 이하인 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구리 부재와 상기 세라믹스 부재의 접합 계면으로부터 상기 구리 부재 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Zn 과 Mn 의 합계 농도가 2 원자% 이하인 것을 특징으로 하는 구리/세라믹스 접합체.
  5. 세라믹스 기판의 표면에, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리판이 접합되어 이루어지는 절연 회로 기판으로서,
    상기 구리판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면으로부터 상기 구리판 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Al, Si, Zn, Mn 의 합계 농도가 3 원자% 이하인 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 구리판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면으로부터 상기 구리판 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Al 의 농도가 2 원자% 이하인 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 구리판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면으로부터 상기 구리판 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Si 의 농도가 2 원자% 이하인 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구리판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면으로부터 상기 구리판 측으로 1000 ㎚ 이간한 위치에서 에너지 분산 X 선 분석법에 의해 농도 측정을 실시하고, Cu, Mg, Ti, Zr, Nb, Hf, Al, Si, Zn, Mn 의 합계값을 100 원자% 로 했을 때에, Zn 과 Mn 의 합계 농도가 2 원자% 이하인 것을 특징으로 하는 절연 회로 기판.
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