KR20220103956A - 복합 기판 및 그 제조 방법, 및 회로 기판 및 그 제조 방법 - Google Patents

복합 기판 및 그 제조 방법, 및 회로 기판 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20220103956A
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아츠시 사카이
마사야 유미바
겐타로 나카야마
요시타카 다니구치
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덴카 주식회사
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Abstract

복합 기판(100)은, 세라믹 판(10)과, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 금속 층(21)과, 동 및 동 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 용사 층(22)을 이 순서로 구비하며, 금속 층(21)과 용사 층(22)과의 사이에, 구성 원소로서 동 및 알루미늄을 갖는 금속간 화합물이 점재되어 있다.

Description

복합 기판 및 그 제조 방법, 및 회로 기판 및 그 제조 방법
본 개시는 복합 기판 및 그 제조 방법, 및 회로 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
근년, 모터 등의 산업 기기, 및 전기 자동차 등의 제품에는, 대 전력 제어용의 파워 모듈이 이용되고 있다. 이러한 파워 모듈에는, 반도체 소자로부터 발생하는 열을 효율적으로 확산시키기 위해, 높은 열전도성을 갖는 세라믹 판을 구비하는 회로 기판 등이 이용되고 있다.
회로 기판의 금속 회로 부분에는, 고 전압으로 및 고 전류가 흐르는 경우도 있기 때문에, 주로 동이 이용되고 있다. 그러나, 사용시의 환경 변화, 및 스위칭에 의한 열 등에 의해 열 충격을 반복해서 받기 때문에, 동과 세라믹의 열 팽창율의 차이에 기인하는 열 응력에 의해, 세라믹 판으로부터 동 회로가 박리하는 일이 있었다. 이 때문에, 소성 변형하기 쉬운 알루미늄 층을 세라믹 판과 동 회로와의 사이에 마련하고, 열 응력을 완화하는 기술이 알려져 있다. 이러한 상황 하에서, 특허문헌 1에서는, 알루미늄 부재와 동 부재와의 사이의 접합 층에, 금속간 화합물 층과 공정(共晶) 층을 형성하고, 접합 층에 있어서의 크랙의 발생을 억제하는 기술이 제안되어 있다.
일본 특허 공개 제 2019-87608 호 공보
금속간 화합물은 딱딱하고 무르다고 하는 특성을 갖는다. 이 때문에, 금속간 화합물을 층형상으로 형성하면, 가열과 냉각을 반복하는 히트 사이클의 조건하에서는 크랙 발생의 요인이 되는 것이 염려된다.
그래서, 본 개시에서는, 히트 사이클에 대한 내구성이 우수한 동시에 높은 도전성을 갖는 복합 기판 및 회로 기판을 제공한다. 또한, 본 개시에서는, 히트 사이클에 대한 내구성이 우수한 동시에 높은 도전성을 갖는 복합 기판 및 회로 기판을 제조하는 것이 가능한 복합 기판 및 회로 기판의 제조 방법을 제공한다.
본 개시의 일 측면에 따른 복합 기판은, 세라믹 판과, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 금속 층과, 동 및 동 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 용사 층을 이 순서로 구비하며, 금속 층과 용사 층과의 사이에 구성 원소로서 동 및 알루미늄을 갖는 금속간 화합물이 점재되어 있다.
상기 복합 기판은, 금속 층과 용사 층과의 사이에 구성 원소로서 동 및 알루미늄을 갖는 금속간 화합물이 점재하고 있기 때문에, 금속 층과 용사 층이 강고하게 접합하고 있고, 높은 도전성을 갖는다. 또한, 금속간 화합물이 층형상으로 형성되는 것이 아니라 점재하고 있기 때문에 히트 사이클에 수반하는 크랙의 발생을 억제하고, 히트 사이클에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.
금속 층과 용사 층의 적층 방향에 따라 절단했을 때의 절단면을 보았을 때에, 상기 복합 기판은, 금속 층과 용사 층과의 사이에, 금속 층과 용사 층이 직접 접하는 접촉부와, 금속간 화합물이 개재하고 있는 개재부를 구비하고 있어도 좋다. 이것에 의해, 금속 층과 용사 층과의 접합 강도와, 히트 사이클에 대한 내구성을 한층 높은 수준으로 양립시킬 수 있다.
상기 금속간 화합물은 Cu9Al4, CuAl 및 CuAl2로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함해도 좋다. 이것에 의해, 금속 층과 용사 층과의 접합 강도와, 히트 사이클에 대한 내구성을 보다 한층 높은 수준으로 양립시킬 수 있다.
금속 층과 용사 층의 적층 방향에 따라 절단했을 때의 절단면을 보았을 때에, 용사 층의 금속 층측의 경계선을 따르는 금속간 화합물의 길이가 15㎛ 이하여도 좋다. 또한, 상기 절단면을 보았을 때에, 용사 층의 금속 층측의 경계선의 길이를 기준으로 하는, 금속간 화합물에 의한 용사 층의 피복율이 75% 이하여도 좋다. 이러한 복합 기판은 히트 사이클에 대한 내구성을 충분히 높게 할 수 있다.
본 개시의 일 측면에 따른 회로 기판은, 세라믹 판과, 세라믹 판상에 도체부를 구비하며, 도체부는, 세라믹 판측으로부터, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 금속 층과, 동 및 동 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 용사 층을 이 순서로 구비하며, 금속 층과 용사 층과의 사이에, 구성 원소로서 동 및 알루미늄을 갖는 금속간 화합물이 점재되어 있다.
상기 회로 기판에 있어서의 도체부는, 금속 층과 용사 층과의 사이에 구성 원소로서 동 및 알루미늄을 갖는 금속간 화합물이 점재하고 있기 때문에, 금속 층과 용사 층이 강고하게 접합하고 있고, 높은 도전성을 갖는다. 또한, 금속간 화합물이 층형상으로 형성되는 것이 아니라 점재하고 있기 때문에 히트 사이클에 수반하는 크랙의 발생을 억제하고, 히트 사이클에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 개시의 일 측면에 따른 복합 기판의 제조 방법은, 세라믹 판상에 설치된, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 금속 층의 표면에, 동 및 동 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 금속 입자를 분사하여 전구체막을 형성하는 공정과, 전구체막을 가열해서 용사 층을 얻는 동시에, 금속 층과 용사 층과의 사이에 점재하도록 금속간 화합물을 생성시키는 가열 공정을 구비한다.
상기 복합 기판의 제조 방법에서는, 전구체막을 가열해서, 금속 층과 용사 층과의 사이에 구성 원소로서 동 및 알루미늄을 갖는 금속간 화합물이 점재하도록 생성시키고 있다. 금속간 화합물이 점재할 정도로 생성할 때까지 전구체막을 가열하고 있기 때문에, 가공 경화가 충분히 완화된 용사 층을 얻을 수 있다. 이와 같이 가공 경화가 완화된 용사 층은 높은 도전성을 갖는다. 또한, 금속간 화합물이 층형상으로 생성하는 것이 아니라 점재하도록 생성하고 있기 때문에 히트 사이클에 수반하는 크랙의 발생을 억제하고, 히트 사이클에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 개시의 일 측면에 따른 회로 기판의 제조 방법은, 세라믹 판상에 설치된, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 금속 층의 표면에, 동 및 동 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 금속 입자를 분사하여 전구체막을 형성하는 공정과, 전구체막을 가열해서 용사 층을 얻는 동시에, 금속 층과 용사 층과의 사이에 점재하도록 금속간 화합물을 생성시켜, 세라믹 판상에 소정 패턴을 갖는 도체부를 형성하는 가열 공정을 구비한다.
상기 회로 기판의 제조 방법에서는, 전구체막을 가열해서, 금속 층과 용사 층과의 사이에 구성 원소로서 동 및 알루미늄을 갖는 금속간 화합물이 점재하도록 생성시켜 도체부를 형성하고 있다. 금속간 화합물이 점재할 정도로 생성할 때까지 전구체막을 가열하고 있기 때문에, 가공 경화가 충분히 완화된 용사 층을 얻을 수 있다. 이와 같이 가공 경화가 완화된 용사 층은 높은 도전성을 갖는다. 또한, 금속간 화합물이 층형상으로 형성되는 것이 아니라 점재하고 있기 때문에 히트 사이클에 수반하는 크랙의 발생을 억제하고, 히트 사이클에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 개시에 의하면, 히트 사이클에 대한 내구성이 우수한 동시에 높은 도전성을 갖는 복합 기판 및 회로 기판을 제공할 수 있다. 또한, 본 개시에서는, 히트 사이클에 대한 내구성이 우수한 동시에 높은 도전성을 갖는 복합 기판 및 회로 기판을 제조하는 것이 가능한 복합 기판 및 회로 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시형태에 따른 복합 기판을 도시하는 단면도이다.
도 2는 일 실시형태에 따른 회로 기판을 도시하는 평면도이다.
도 3은 일 실시형태에 따른 복합 기판(회로 기판)의 단면의 일부를 확대해서 도시하는 확대 단면도이다.
도 4는 제 1 전구체막 및 제 2 전구체막의 성막에 이용되는 분체 스프레이 장치의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 5는 실시예 1의 회로 기판의 절단면을 도시하는 주사형 전자 현미경의 사진이다.
도 6은 실시예 3의 회로 기판의 절단면을 도시하는 주사형 전자 현미경의 사진이다.
도 7은 비교예 1의 회로 기판의 절단면을 도시하는 주사형 전자 현미경의 사진이다.
도 8은 비교예 2의 회로 기판의 절단면을 도시하는 주사형 전자 현미경의 사진이다.
도 9는 비교예 3의 회로 기판의 절단면을 도시하는 주사형 전자 현미경의 사진이다.
도 10은 비교예 4의 회로 기판의 절단면을 도시하는 주사형 전자 현미경의 사진이다.
이하, 경우에 의해 도면을 참조해서, 본 개시의 일 실시형태에 대해 설명한다. 다만, 이하의 실시형태는, 본 개시를 설명하기 위한 예시이며, 본 개시를 이하의 내용으로 한정하는 취지는 아니다. 설명에 있어서, 동일 요소 또는 동일 기능을 갖는 요소에는 동일 도면부호를 이용하고, 경우에 의해 중복하는 설명은 생략한다. 또한, 상하 좌우 등의 위치 관계는 특별히 단정하지 않는 한 도면에 도시하는 위치 관계에 근거하는 것으로 한다. 또한, 각 요소의 치수 비율은 도시의 비율에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시형태에 따른 복합 기판(100)의 금속 층 및 용사 층의 적층 방향에 따른 단면도이다. 도 1에 도시하는 복합 기판(100)은 세라믹 판(10)과, 세라믹 판(10)을 사이에 두도록 한쌍의 적층부(20)를 구비한다. 적층부(20)는, 세라믹 판(10)측으로부터, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 금속 층(21)과, 동 및 동 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 용사 층(22)을 이 순서로 구비한다. 도 1은 금속 층(21) 및 용사 층(22)의 적층 방향에 따른 절단면을 도시하고 있다.
적층부(20)의 한쪽 또는 양쪽은 소정 패턴을 갖는 도체부(금속 회로)라도 좋다. 이 경우, 복합 기판(100)은 회로 기판이 된다. 도체부에는 예를 들면 은 접합 층을 거쳐서 반도체 소자가 접합되어 회로가 형성된다.
세라믹 판(10)으로서는, 통상의 세라믹으로 구성되는 것이어도 좋다. 세라믹으로서는, 예를 들면, 질화 알루미늄(AlN), 질화 규소(Si3N4), 및 산화 알루미늄(Al2O3) 등을 들 수 있다. 세라믹 판(10)의 두께는 뛰어난 절연성을 유지하면서, 히트 사이클에 대한 내구성 향상과 박형화를 도모하는 관점으로부터, 예를 들면 0.2㎜ 내지 1.0㎜여도 좋다.
금속 층(21)은, 복합 기판(100)의 열전도성을 높게 유지하면서, 세라믹 판(10)과 용사 층(22)의 열 팽창율의 차이에 기인해서 히트 사이클 시에 발생하는 열 응력을 저감하는 기능을 갖는다. 이러한 기능을 충분히 발휘하기 위해, 금속 층(21)은 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 주 성분으로서 포함해도 좋다. 알루미늄 합금으로서는, 알루미늄-마그네슘 합금, 및 알루미늄-리튬 합금 등을 들 수 있다. 여기서, "주 성분"이란, 금속 층(21)의 전체에 대한 함유량이 90질량% 이상인 성분이다. 금속 층(21)의 두께는, 히트 사이클 시에 발생하는 열 응력을 충분히 저감하면서, 박형화를 도모하는 관점으로부터, 예를 들면 0.05㎜ 내지 1㎜여도 좋다.
금속 층(21)은 세라믹 판(10)의 주면(主面)상에 납재를 도포해 금속판을 접합하는 것에 의해 형성되는 것이어도 좋고, 세라믹 판(10)의 주면에 대해서, 금속 입자를 용사하여 가열 처리하는 것에 의해 형성되는 용사 층이라도 좋다. 용사 층이면, 납재를 이용하지 않고 세라믹 판(10)의 주면상에 금속 층(21)을 형성할 수 있다. 용사 시에 마스크를 이용하면, 에칭을 실시하는 일 없이 소정 패턴을 갖는 도체부를 형성할 수 있다.
용사 층(22)은, 복합 기판(100)의 열전도성을 높게 유지하면서, 도전율을 충분히 높게 하는 관점으로부터, 동 및 동 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 주 성분으로서 포함해도 좋다. 동 합금의 예로서는, 동-인 합금, 및 동-몰리브덴 합금 등을 들 수 있다. 여기서, "주 성분"이란, 용사 층(22)의 전체에 대한 함유량이 90질량% 이상인 성분이다. 용사 층(22)의 두께는 도전성 및 열전도성을 충분히 높게 하면서, 히트 사이클에 대한 내구성 향상과 박형화를 도모하는 관점으로부터, 예를 들면 0.1㎜ 내지 3㎜여도 좋다.
용사 층(22)은, 세라믹 판(10)의 주면에 대해서, 금속 입자를 용사해 가열 처리하는 것에 의해 형성된다. 용사 층(22)은 납재를 이용하는 일 없이 금속 층(21)의 주면상에 형성할 수 있다. 용상 시에 마스크재를 이용하면, 에칭을 실시하는 일 없이 소정 패턴을 갖는 도체부를 형성할 수 있다.
도 2는 일 실시형태에 따른 회로 기판(200)의 사시도이다. 회로 기판(200)은 세라믹 판(10)과, 세라믹 판(10)의 한쪽의 주면(10A)상에 설치된 복수의 도체부(20A)를 구비한다. 복수의 도체부(20A)의 형상은 모두 동일해도 좋고, 도 2에 도시하는 바와 같이, 상이한 형상의 것을 포함하고 있어도 좋다. 도체부(20A)는, 세라믹 판(10)측으로부터, 금속 층(21)과 용사 층(22)을 이 순서로 구비한다. 즉, 도체부(20A)는 도 1의 적층부(20)와 동일의 적층 구조를 갖는다. 회로 기판(200)은 세라믹 판(10)의 다른쪽의 주면에도 동일한 복수의 도체부(20A)를 구비한다. 변형예에서는, 한쪽의 주면에만 1개 또는 복수의 도체부(20A)를 구비하고 있어도 좋다.
도 3은 복합 기판(100)(회로 기판(200))의 금속 층(21) 및 용사 층(22)의 적층 방향에 따른 단면의 일부를 확대해서 도시하는 확대 단면도이다. 도 3은 복합 기판(100)(회로 기판(200))에 있어서의 한쪽의 금속 층(21)과 이것에 인접하는 세라믹 판(10) 및 용사 층(22)의 일부를 도시하고 있다. 용사 층(22)의 금속 층(21)측과의 경계선(L)에 따라, 금속간 화합물(30)이 점재되어 있다. 금속간 화합물(30)은 구성 원소로서 동 및 알루미늄을 갖는다. 구체적으로는, Cu9Al4, CuAl 및 CuAl2로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함한다. 금속간 화합물(30)의 동정(同定)은 X선 회절에 의해 실시할 수 있다.
복합 기판(100)(회로 기판(200))에서는, 금속 층(21)과 용사 층(22)과의 사이에 금속간 화합물(30)이 점재되어 있다. 금속 층(21)과 용사 층(22)과의 사이에는, 금속 층(21)과 용사 층(22)이 직접 접하는 접촉부(40)와, 금속 층(21)과 용사 층(22)과의 사이에 금속간 화합물(30)이 개재하는 개재부(42)가 형성된다.
개재부(42)에 있어서의 금속간 화합물(30)은, 구성 원소로서 동 및 알루미늄을 갖기 때문에, 금속 층(21)과 용사 층(22)의 양쪽과 친숙해져, 양자를 강고하게 접합하는 기능을 가진다. 이것에 의해 금속 층(21)과 용사 층(22)의 사이의 도전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 히트 사이클에 의한 열 응력에 수반하는 변형을 접촉부(40)가 담당하기 때문에, 개재부(42)에 있어서의 금속간 화합물(30)에 열 응력이 집중하는 것을 억제할 수 있다. 이와 같이 해서, 통상은 딱딱하고 무른 금속간 화합물에 크랙이 생기는 것을 억제하고, 히트 사이클에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 3에 도시하는 것 같은 절단면을 보았을 때에, 용사 층(22)의 금속 층(21)측의 경계선(L)에 따른 금속간 화합물(30)(개재부(42))의 길이는 25㎛ 미만이다. 경계선(L)에 따른 금속간 화합물(30)의 길이는 이하의 순서로 측정할 수 있다. 복합 기판을, 다이아몬드 커터 또는 밴드 소(band saw) 등을 이용해 절단하고, 다이아몬드 연마용 입자 등으로 연마해서, 도 3에 도시하는 것과 같은 절단면을 얻는다. 이 절단면을, 주사형 전자 현미경(SEM)으로 관찰하고, 3000배의 확대 화상의 사진을 촬영한다. 이 사진에 비추어지고 있는 용사 층(22)의 금속 층(21)측의 외연을 경계선(L)으로 하고, 이 경계선(L)에 따른 금속간 화합물(30)의 길이를 측정한다. 길이는, 경계선(L)에 따라 예를 들면 끈을 배치하고, 금속간 화합물(30)의 부분의 끈의 길이와 사진의 확대 배율로부터 산출할 수 있다. 측정은, 상기 절단면에 있어서, 임의로 선택되고, 서로 상이한 5개소의 영역에 있어서 촬영된 사진을 이용해 실시한다. 본 개시에서는, 이와 같이 해서 측정되는 길이가 25㎛ 이상인 금속간 화합물은 층형상으로 간주된다.
본 개시에 있어서의 " 금속간 화합물이 점재한다"란, 상술의 5개소의 영역에 있어서 촬영된 SEM 사진에 있어서, 금속간 화합물(30)의 경계선(L)에 따른 길이의 최대값이 25㎛ 미만인 것을 의미한다. 즉, 상술의 5개소의 영역에 있어서 촬영된 SEM 사진에 있어서, 금속간 화합물(30)로서, 경계선(L)에 따른 길이가 25㎛ 미만의 것만을 포함하는 것을 의미한다. 상술의 5개소의 영역에 있어서 촬영된 SEM 사진에 있어서, 경계선(L)에 따른 금속간 화합물(30)의 길이는, 히트 사이클에 대한 내구성을 한층 더 향상시키는 관점으로부터, 20㎛ 이하이면 좋고, 15㎛ 이하여도 좋다. 이것에 의해, 금속간 화합물(30)에 응력이 집중하는 것이 한층 억제되어, 히트 사이클에 대한 내구성을 충분히 높게 할 수 있다. 상기 경계선(L)에 따른 금속간 화합물(30)의 길이는, 가공 경화가 충분히 완화된 용사 층(22)으로 하는 관점으로부터, 2㎛ 이상이면 좋고, 5㎛ 이상이어도 좋다.
상기 절단면을 보았을 때에, 용사 층(22)의 금속 층(21)측의 경계선(L)의 길이를 기준으로 하는, 금속간 화합물에 의한 용사 층(22)의 피복율이 75% 이하이면 좋고, 50% 미만이어도 좋다. 이것에 의해, 경계선(L)에 있어서 용사 층(22)과 금속 층(21)이 직접 접촉하는 접촉부(40)의 비율이 높아지고, 히트 사이클 시에 금속간 화합물(30)에 열 응력이 집중하는 것을 한층 억제할 수 있다. 따라서, 히트 사이클에 대한 내구성을 충분히 높게 할 수 있다. 상기 피복율은, 용사 층(22)의 가공 경화를 충분히 완화시키는 관점 및 금속 층(21)과 용사 층(22)을 한층 강고하게 접합시키는 관점으로부터, 10% 이상이면 좋고, 30% 이상이어도 좋다.
상기 피복율은, 금속간 화합물(30)의 길이의 측정과 마찬가지로, 3000배의 확대 화상의 사진과 끈을 이용해 실시할 수 있다. 즉, 경계선(L)에 따라 예를 들면 끈을 배치하고, 경계선(L)의 전체의 길이(L0)와, 사진에 비추어져 있는 금속간 화합물(30)(개재부(42))의 부분의 끈의 길이(L1)를 측정한다. 금속간 화합물(30)이 다수인 경우, 길이(L1)는 각 금속간 화합물(30)의 경계선(L)에 따른 길이의 합계값이 된다. 측정은, 상기 절단면에 있어서, 임의로 선택되는 5개소의 영역에 있어서 촬영된 사진을 이용해 실시한다. 각각의 사진을 이용해, (L1/L0)×100의 계산을 실시하고, 이 계산값의 평균값을 본 개시에 있어서의 피복율로 한다.
복합 기판(100)의 제조 방법의 일 예는, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 제 1 금속 입자를, 불활성 가스와 함께 세라믹 판(10)의 주면에 분사하여 제 1 전구체막을 형성하는 공정과,
불활성 가스 분위기하에서 제 1 전구체막을 가열해서 금속 층(21)을 형성하는 공정과,
세라믹 판(10)상에 설치된, 금속 층(21)의 표면에, 동 및 동 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 제 2 금속 입자를 분사하여 제 2 전구체막을 형성하는 공정과,
제 2 전구체막을 가열해서 용사 층(22)을 얻는 동시에, 금속 층(21)과 용사 층(22)과의 사이에 점재하도록 금속간 화합물(30)을 생성시키는 가열 공정을 구비한다.
이 예에서는, 금속 층(21) 및 용사 층(22)의 양쪽을 용사에 의해 형성하고 있다. 이러한 층의 형성에는, 분체 스프레이 장치를 이용할 수 있다. 구체적으로는, 우선, 분체 스프레이 장치를 이용해서, 제 1 금속 입자를 세라믹 판(10)의 주면에 분사한다. 이것에 의해, 세라믹 판(10)의 주면상에 제 1 전구체막이 성막된다. 이 때, 한쪽의 주면상에 제 1 전구체막을 성막한 후, 다른쪽의 주면상에 제 1 전구체막을 성막해도 좋다. 세라믹 판(10)의 한쪽의 주면상에만 적층부(20)를 갖는 복합 기판을 제조하는 경우, 한측 주면에만 제 1 전구체막을 성막하면 좋다.
제 1 금속 입자는 알루미늄 입자여도 좋고, 알루미늄-마그네슘 합금 입자, 및 알루미늄-리튬 합금 입자 등의, 다른 금속 원소를 포함한 알루미늄 합금 입자여도 좋다. 마그네슘, 및 리튬과 같은 알루미늄보다 산소 친화성이 높은 금속 원소를 함유하는 알루미늄 합금 입자를 이용하면, 성막 후의 가열 시, 마그네슘 또는 리튬 등의 금속 원소와, 세라믹 판의 표면의 산화물이 반응하고, 이것들이 강고하게 접합하는 경향이 있다. 히트 사이클에 대한 내구성을 더욱 향상시키는 관점으로부터, 제 1 금속 입자에 있어서의 마그네슘, 리튬 등의 금속 원소의 함유량은 제 1 금속 입자 전체에 대해서 6.0질량% 이하여도 좋다.
세라믹 판상에 형성된 제 1 전구체막은, 불활성 가스 분위기하에서 가열되어 금속 층(21)이 된다. 이 때의 가열 온도는 400℃ 내지 600℃이어도 좋다. 제 1 전구체막을 400℃ 이상의 온도로 가열하는 것으로, 알루미늄과 세라믹 판(10)의 표면의 산화물과의 반응이 충분히 진행한다. 이것에 의해, 금속 층(21)과 세라믹 판(10)을 강고하게 접합할 수 있다. 또한, 제 1 전구체막을 600℃ 이하의 온도로 가열 처리하는 것으로, 제 1 전구체막이 연화하는 것에 의한 영향을 저감할 수 있다.
본 예에서는, 금속 층(21)을 용사에 의해 형성하고 있지만, 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 금속판을 준비하고, 이것을 납재를 이용해 접합해서 세라믹 판(10)상에 금속 층(21)을 설치해도 좋다. 이 경우, 세라믹 판(10)상에 소정 패턴의 도체부를 형성하기 위해서는, 금속 층(21)의 에칭이 필요한 경우가 있다.
용사의 경우, 세라믹 판(10)의 주면의 일부를 덮는 마스크재를 배치하는 것에 의해, 세라믹 판(10)상에 패턴(회로 패턴)을 갖는 금속 층(21)을 형성할 수 있다. 이 방법이면, 성막 후의 에칭과 같은 추가의 공정을 실시하는 일 없이, 형상 정밀도의 높은 도체부를 용이하게 형성할 수 있다.
금속 층(21)을 형성한 후, 용사에 의해 금속 층(21)의 주면상에 용사 층(22)을 형성한다. 용사 층(22)의 형성은 예를 들면 이하의 순서로 실시한다. 제 2 금속 입자를 금속 층(21)의 세라믹 판(10)측과는 반대측의 주면에 분사하여, 제 2 전구체막을 형성한다. 제 2 금속 입자로서는, 동 입자, 동-인 합금 입자 및 동-몰리브덴 합금 입자 등을 들 수 있다. 제 2 금속 입자에 있어서의 동 이외의 금속 원소의 함유량은 제 2 금속 입자 전체에 대해서 6.0질량% 이하여도 좋다.
용사 층(22)은, 금속 층(21)의 주면상에 성막된 제 2 전구체막을, 불활성 가스 분위기하에서 가열해서 형성한다. 이 때의 제 2 전구체막의 가열 온도는 250℃ 내지 300℃이면 좋고, 250℃ 내지 290℃이라도 좋다. 가열 처리 온도가 너무 높아지면, 금속간 화합물(30)이 층형상으로 형성되기 쉬워져, 히트 사이클에 대한 내구성이 저하하는 경향이 있다. 한편, 가열 처리 온도가 너무 낮으면 용사 층(22)에 있어서의 가공 경화를 충분히 완화하지 못하고, 뛰어난 도전성이 손상되는 경향이 있다. 또한, 금속간 화합물(30)의 생성량이 적게 되는 경향이 있다.
제 2 전구체막의 상기 가열 온도에 있어서의 가열 시간은 5분간 내지 1시간이어도 좋다. 가열 시간이 너무 짧으면, 용사 층(22)의 가공 경화를 충분히 완화하지 못하고, 뛰어난 도전성이 손상되는 경향이 있다. 또한, 금속간 화합물(30)의 생성량이 적게 되는 경향이 있다. 한편, 가열 시간이 너무 길면, 금속간 화합물(30)이 층형상으로 형성되기 쉬워져, 히트 사이클에 대한 내구성이 저하하는 경향이 있다. 또한, 제 2 전구체막의 가열 온도 및 가열 시간을 변경하는 것에 의해, 금속간 화합물(30)에 의한 용사 층(22)의 피복율, 및 경계선(L)에 따른 금속간 화합물(30)의 길이를 조절할 수 있다.
제 2 전구체를 성막할 때에, 제 1 전구체를 성막할 때와 동일의 마스크재를 이용하는 것에 의해, 금속 층(21)과 동일의 패턴(회로 패턴)을 갖는 용사 층(22)을 형성할 수 있다. 이 방법이면, 성막 후의 에칭과 같은 추가의 공정을 실시하는 일 없이, 형상 정밀도가 높은 도체부를 용이하게 형성할 수 있다. 이와 같이 해서, 세라믹 판(10)상에 도체부를 갖는 회로 기판을 제조해도 좋다. 또한, 용사 층(22)은 금속 층(21)보다 한층 작아지도록 형성해도 좋다.
도 4는 제 1 전구체막 및 제 2 전구체막의 성막에 이용되는 분체 스프레이 장치의 일 예를 도시하는 도면이다. 분체 스프레이 장치(50)는 가스 공급부(54), 히터(56), 입자 공급부(57), 끝이 뾰족하고 말단 확장형의 스프레이 건의 노즐(51) 및 이것들을 연결하는 배관을 구비한다. 가스 공급부(54)의 하류측에는 제 1 압력 조절부(55a)가 설치되어 있다. 제 1 압력 조절부(55a)의 하류측에서 배관이 2개로 분기한다. 분기한 2개의 배관의 한쪽에 제 2 압력 조절부(55b)와 히터(56)가 이 순서로 접속되고, 분기한 2개의 배관의 다른쪽에 제 3 압력 조절부(55c)와 입자 공급부(57)가 이 순서로 접속되어 있다. 히터(56) 및 입자 공급부(57)는 배관을 거쳐서 노즐(51)에 접속되어 있다.
가스 공급부(54)는 작동 가스로서 기능하는 불활성 가스를 공급한다. 불활성 가스는, 예를 들면 헬륨 가스, 질소 가스, 또는 이러한 혼합 가스여도 좋다. 가스 공급부(54)로부터 공급되는 작동 가스의 일부는, 제 2 압력 조절부(55b)에 의해 압력이 조절된 후, 필요에 따라서 히터(56)에 의해 가열된다. 가열 온도는, 제 1 전구체막을 형성할 때는 예를 들면 10℃ 내지 270℃이어도 좋다. 제 2 전구체막을 형성할 때는 예를 들면 10℃ 내지 650℃이어도 좋다. 그 후, 가열된 작동 가스는 스프레이 건의 노즐(51)에 공급된다. 가스 공급부(54)로부터 공급되는 작동 가스의 다른 부(部)는, 제 3 압력 조절부(55c)에 의해 압력이 조정된 후, 입자 공급부(57)에 공급된다. 입자 공급부(57)로부터, 작동 가스와 함께 성막용의 금속 입자가 스프레이 건의 노즐(51)에 공급된다.
노즐(51)의 입구(51a)에 있어서의 작동 가스의 게이지 압력은 1.5㎫ 내지 5.0㎫여도 좋다. 히터(56)에 의한 가열 온도는, 통상 성막되는 금속 입자의 융점 또는 연화점보다 낮게 설정된다.
스프레이 건의 노즐(51)에 공급된 제 1 금속 입자 또는 제 2 금속 입자와 작동 가스는 끝이 뾰족한 부분을 통과하는 것에 의해 압축되고, 그 하류측인 말단 확장의 부분에서 단번에 팽창하는 것으로 가속된다. 금속 입자는 소정의 온도로 가열되는 동시에 소정의 속도까지 가속된 후, 노즐(51)의 출구로부터 분출된다. 노즐(51)로부터 분출된 제 1 금속 입자 또는 제 2 금속 입자는 세라믹 판(10)의 주면에 분무된다. 이것에 의해 제 1 금속 입자 및 제 2 금속 입자가 세라믹 판(10)의 주면 및 금속 층(21)의 표면에 각각 고상 상태로 충돌하면서 퇴적하고, 제 1 전구체막 및 제 2 전구체막이 성막된다. 도 4에서는, 세라믹 판(10)의 주면에 성막된 제 1 전구체막(21a)이 도시되어 있다.
상술의 제조 방법에 따라, 세라믹 판(10)과, 그 양쪽의 주면상에, 세라믹 판(10)측으로부터, 금속 층(21)과 용사 층(22)을 이 순서로 구비하는 적층부(20)를 갖고, 금속 층(21)과 용사 층(22)과의 사이에, 구성 원소로서 동 및 알루미늄을 갖는 금속간 화합물(30)이 점재하고 있는 복합 기판(100)을 얻을 수 있다. 상술의 복합 기판(100)에 관한 설명 내용은 복합 기판(100)의 제조 방법에도 적용할 수 있다.
회로 기판의 제조 방법의 일 예는, 상술의 제조 방법에 따라 얻을 수 있는 복합 기판(100)의 적층부(20)를 에칭에 의해 패터닝해서, 도체부를 형성하는 공정을 갖고 있어도 좋다. 다른 예에서는, 제 1 전구체막 및 제 2 전구체막을 성막할 시에 마스크재를 이용하는 것에 의해, 에칭을 실시하는 일 없이 세라믹 판(10)의 양쪽의 주면상에 도체부를 형성하는 것에 의해 제조해도 좋다. 이 경우, 회로 기판의 제조 방법은, 상술의 복합 기판의 제조 방법에 있어서의 제 1 전구체막 및 제 2 전구체막을 형성하는 각각의 공정에 있어서, 마스크재를 이용해서 소정의 패턴 형상을 갖는 제 1 전구체막 및 제 2 전구체막을 각각 성막하면 좋다. 그 외의 점에 대해서는, 복합 기판과 마찬가지로 해서 제조할 수 있다.
상술의 복합 기판(100) 및 회로 기판(200)의 제조 방법에서는, 구성 원소로서 동 및 알루미늄을 갖는 금속간 화합물(30)이 점재하도록 제 2 전구체막이 가열되어 있다. 이 때문에, 가공 경화가 완화된 용사 층(22)을 얻을 수 있다. 이러한 용사 층(22)은 뛰어난 도전성을 갖는다. 또한, 금속간 화합물(30)이 층형상으로 생성하는 것이 아니라 점재하도록 생성하고 있기 때문에 히트 사이클에 수반하는 크랙의 발생을 억제하고, 히트 사이클에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 복합 기판(100) 및 회로 기판(200)이 이용된 파워 모듈은 신뢰성이 우수하다. 또한, 점재하는 금속간 화합물(30)이 금속 층(21)과 용사 층(22)과의 접합을 강고하게 해서 도전성을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 개시의 몇개의 실시형태에 대해 설명했지만, 본 개시는 상기 실시형태에 전혀 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 세라믹 판(10)의 양쪽의 주면에 적층부(20)(도체부(20A))를 마련하는 것은 필수는 아니고, 예를 들면, 세라믹 판(10)의 한쪽의 주면에만 적층부(20)(도체부(20A))를 설치해도 좋다. 또한, 세라믹 판(10)을 사이에 두는 한쌍의 적층부(20)(도체부(20A))에 있어서의 금속 층(21) 및 용사 층(22)의 두께, 형상 및 조성의 적어도 1개는 서로 상이해도 좋다.
실시예
이하, 실시예를 들어 본 개시의 내용을 한층 더 구체적으로 설명한다. 다만, 본 개시는 이하의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
(회로 기판의 제작)
세라믹 판으로서 질화 알루미늄(AIN)제의 기판(사이즈: 세로×가로×두께=60㎜×50㎜×0.635㎜, 3점 굴곡강도: 500㎫, 열전도율: 150W/mK, 순도: 95% 이상)을 준비했다.
기판의 주면의 일부를 철제의 마스크재로 마스킹했다. 분체 스프레이 장치에 의해, 알루미늄 입자(고순도 화학 연구소사제의 가스 아토마이즈 분말, 메디안 직경: 24㎛)를, 마스킹한 주면에 분사하여, 알루미늄막(제 1 전구체막)을 형성했다. 알루미늄막의 성막 조건은, 작동 가스로서 질소 가스를 이용하고, 작동 가스의 가열 온도를 20℃, 스프레이 건의 노즐 입구에 있어서의 작동 가스의 압력을 1.5㎫로 했다.
형성된 알루미늄막에, 질소 분위기하, 500℃에서 3시간 보지하는 가열 처리를 실시하고, 0.2㎜의 두께를 갖는 알루미늄제의 금속 층을 얻었다.
다음에, 금속 층의 일부를 철제의 마스크재로 마스킹했다. 분체 스프레이 장치에 의해, 동 입자(후쿠다 금속박분 공업주식회사제, 물 아토마이즈 분말, 메디안 직경: 17㎛)를 금속 층의 표면에 분사하여, 금속 층의 표면상에 동 막(제 2 전구체막)을 성막했다. 동 막의 성막 조건은, 작동 가스로서 질소 가스를 이용해서 작동 가스의 가열 온도를 350℃, 스프레이 건의 노즐 입구에 있어서의 작동 가스의 압력을 3㎫로 했다.
형성된 동 막에, 질소 분위기하, 280℃에서 10분간 보지하는 가열 처리를 실시하고, 0.4㎜의 두께를 갖는 동제의 용사 층을 얻었다. 용사 층은 금속 층보다 세로 및 가로 길이가 약 50㎛ 작게 되도록 형성했다.
세라믹 판의 양쪽의 주면에 있어서, 상술의 순서로 금속 층 및 용사 층을 순차 형성하고, 세라믹 판의 양쪽의 주면상에, 세라믹 판측으로부터, 금속 층 및 용사 층을 갖는 도체부를 구비하는 실시예 1의 회로 기판을 얻었다.
(회로 기판의 평가)
<SEM 관찰에 의한 평가>
회로 기판을 금속 층 및 용사 층의 적층 방향에 따라 다이아몬드 커터를 이용해서 절단하고, 다이아몬드 연마용 입자로 연마해서 SEM 관찰용의 절단면으로 했다. 절단면을 SEM으로 관찰하고, 금속 층과 용사 층의 사이에 있어서의 금속간 화합물의 형태를 확인했다. 결과는 표 1에 나타내는 바와 같다. 도 5는 실시예 1의 회로 기판의 절단면을 도시하는 SEM 사진이다.
도 5와 같은 SEM 사진(배율: 3000배)을 서로 상이한 5개소의 위치에서 촬영했다. 이러한 SEM 사진에 있어서, 용사 층의 금속 층측의 경계선(L)에 따른 금속간 화합물의 길이의 최대값을 구했다. 또한, 각 SEM 사진에 있어서, 용사 층의 금속 층측의 경계선(L)의 길이(L0)와, 경계선(L)에 따른 금속간 화합물의 길이의 합계값(L1)을 끈을 이용해 측정했다. 각각의 사진에 있어서, (L1/L0)×100의 계산을 실시하고, 이 계산값의 평균값을 피복율로서 구했다. 결과는 표 1에 나타내는 바와 같다.
<도전율의 측정>
와전류법에 따라 도체부의 도전율 측정을 실시했다. 측정은 디지털 도전율계(GE Sensing & Inspection Technologie제, 상품명: AutoSigma3000)를 이용해서 실시했다. 결과는 표 1에 나타내는 바와 같다.
<비커스 경도의 측정>
용사 층의 표면에 있어서의 비커스 경도를 측정했다. 측정은 다이나믹 초미소 경도계(주식회사 시마즈 제작소제, 상품명: DUH211)를 이용해서 실시했다. 결과는 표 1에 나타내는 바와 같다.
<히트 사이클 시험>
"180℃의 환경에 30분 방치한 후에 -45℃의 환경에 30분 방치"를 1사이클로서 1000사이클의 히트 사이클 시험을 실시했다. 히트 사이클 시험 후, 상술의 "SEM 관찰에 의한 평가"와 동일하게 해서 SEM 관찰을 실시하고, 금속 층 및 용사 층의 박리 등의 유무를 검사했다. SEM 관찰의 결과, 박리가 검지되지 않았던 것을 "A", 박리가 검지된 것을 "B"라고 평가했다. 결과는 표 1에 나타내는 바와 같다.
[실시예 2], [실시예3], [비교예 1] 내지 [비교예 3]
질소 분위기하에 있어서의 동 막의 가열 온도 및 가열 시간을 표 1에 나타내는 바와 같이 변경한 것 이외는, 실시예 1과 동일하게 해서 회로 기판을 제작하고, 각 평가를 실시했다. 각 평가의 결과는 표 1에 나타내는 바와 같다.
[비교예 4]
동 막의 가열 처리를 실시하지 않았던 것 이외는, 실시예 1과 동일하게 해서 회로 기판을 제작하고, 각 평가를 실시했다. 각 평가의 결과는 표 1에 나타내는 바와 같다.
도 6은 실시예 3의 회로 기판의 절단면을 도시하는 SEM 사진이다. 도 7은 비교예 1의 회로 기판의 절단면을 도시하는 SEM 사진이다. 도 8은 비교예 2의 회로 기판의 절단면을 도시하는 SEM 사진이다. 도 9는 비교예 3의 회로 기판의 절단면을 도시하는 SEM 사진이다. 도 10은 비교예 4의 회로 기판의 절단면을 도시하는 SEM 사진이다. 각 실시예의 회로 기판에서는, 금속간 화합물(30)이 용사 층(22)과 금속 층(21)의 사이에 있어서 점재하고 있는 것이 확인되었다. 한편, 비교예 1 내지 3의 회로 기판에서는, 금속간 화합물(130)이 용사 층(122)과 금속 층(121)의 사이에 있어서 점재되어 있다고는 할 수 없고, 층형상으로 되어 있었다.
가열
온도
[℃]		 가열
시간
[분]		 금속간 화합물 도전율
[%IACS]		 환산
비커스
경도
Figure pct00001
 히트
사이클
시험
형태 길이
[㎛]		 피복율
[%]
실시예 1 280 10 점형상 10 48 92.1 99.9 A
실시예 2 280 60 점형상 12 58 92.3 85.4 A
실시예 3 280 180 점형상 13 72 92.2 87.2 A
비교예 1 330 10 층형상 25 80 92.7 80.1 B
비교예 2 380 10 층형상 31 98 93.4 74.8 B
비교예 3 430 10 층형상 >50 100 94.4 70.2 B
비교예 4 없음 0 없음 없음 0 62.0 187.1 A
각 실시예의 회로 기판의 도체부는 우수한 도전성을 갖고 있었다. 또한, 비커스 경도의 결과로부터, 각 실시예에서는 용사 층의 가공 경화가 충분히 완화되고 있는 것이 확인되었다. 한편, 금속간 화합물이 층형상으로 형성되었던 비교예 1 내지 3은 실시예 1 내지 3보다 히트 사이클의 내구성이 뒤떨어지는 것이 확인되었다. 또한, 금속 층과 용사 층과의 사이에 금속간 화합물이 점재하고 있지 않은 비교예 4의 회로 기판은 도전성이 낮았다.본 개시에 의하면, 히트 사이클에 대한 내구성이 우수한 동시에 높은 도전성을 갖는 복합 기판 및 회로 기판을 제공할 수 있다.
10: 세라믹 판 10A: 주면
20: 적층부 20A: 도체부
21: 금속 층 21a: 제 1 전구체막
22: 용사 층 30: 금속간 화합물
40: 접촉부 42: 개재부
50: 분체 스프레이 장치 51: 노즐
51a: 입구 54: 가스 공급부
55a: 제 1 압력 조절부 55b: 제 2 압력 조절부
55c: 제 3 압력 조절부 56: 히터
57: 입자 공급부 100: 복합 기판
200: 회로 기판

Claims (8)

  1. 세라믹 판과,
    알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 금속 층과,
    동 및 동 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 용사 층을 이 순서로 구비하며,
    상기 금속 층과 상기 용사 층과의 사이에, 구성 원소로서 동 및 알루미늄을 갖는 금속간 화합물이 점재하고 있는
    복합 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 층과 상기 용사 층의 적층 방향에 따라 절단했을 때의 절단면을 보았을 때에, 상기 금속 층과 상기 용사 층과의 사이에, 상기 금속 층과 상기 용사 층이 직접 접하는 접촉부와, 상기 금속간 화합물이 개재하고 있는 개재부를 갖고 있는
    복합 기판.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속간 화합물은 Cu9Al4, CuAl 및 CuAl2로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는
    복합 기판.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 층과 상기 용사 층의 적층 방향에 따라 절단했을 때의 절단면을 보았을 때에, 상기 용사 층의 상기 금속 층측의 경계선을 따른 상기 금속간 화합물의 길이가 15㎛ 이하인
    복합 기판.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 층과 상기 용사 층의 적층 방향에 따라 절단했을 때의 절단면을 보았을 때에, 상기 용사 층의 상기 금속 층측의 경계선의 길이를 기준으로 하는, 상기 금속간 화합물에 의한 상기 용사 층의 피복율이 75% 이하인
    복합 기판.
  6. 세라믹 판과, 상기 세라믹 판상에 도체부를 구비하며,
    상기 도체부는, 상기 세라믹 판측으로부터, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 금속 층과, 동 및 동 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 용사 층을 이 순서로 구비하며,
    상기 금속 층과 상기 용사 층과의 사이에, 구성 원소로서 동 및 알루미늄을 갖는 금속간 화합물이 점재하고 있는
    회로 기판.
  7. 세라믹 판상에 설치된, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 금속 층의 표면에, 동 및 동 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 금속 입자를 분사하여 전구체막을 형성하는 공정과,
    상기 전구체막을 가열해서 용사 층을 얻는 동시에, 상기 금속 층과 상기 용사 층과의 사이에 점재하도록 금속간 화합물을 생성시키는 가열 공정을 구비하는
    복합 기판의 제조 방법.
  8. 세라믹 판상에 설치된, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 금속 층의 표면에, 동 및 동 합금으로 이뤄지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 금속 입자를 분사하여 전구체막을 형성하는 공정과,
    상기 전구체막을 가열해서 용사 층을 얻는 동시에, 상기 금속 층과 상기 용사 층과의 사이에 점재하도록 금속간 화합물을 생성시켜, 상기 세라믹 판상에 소정 패턴을 갖는 도체부를 형성하는 가열 공정을 구비하는
    회로 기판의 제조 방법.
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