KR20220135685A - 파워모듈의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 파워모듈의 제조방법에 관한 것으로, 베이스 플레이트와 세라믹기판을 상부 지그와 하부 지그로 가압한 상태에서 브레이징 접합하기 때문에, 휨을 억제할 수 있고, 접합 신뢰성을 높일 수 있으며, 방열 효과가 높다.
Description
본 발명은 파워모듈의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 갖는 파워모듈의 제조방법 및 이에 의해 제조된 파워모듈에 관한 것이다.
일반적으로 파워모듈에서 베이스 플레이트는 사각 플레이트 형상으로 형성되며 알루미늄 또는 구리 재질로 형성된다. 이러한 베이스 플레이트는 세라믹기판의 하면에 접합되어 방열판으로 사용될 수 있다. 이러한 베이스 플레이트는 방열에 유리하도록 세라믹기판의 하면에 솔더링 접합될 수 있다.
그런데, 종래의 베이스 플레이트의 경우, 열팽창 계수가 17ppm/K이기 때문에 세라믹기판과의 접합 공정 중에 열팽창의 차이로 인한 휨이 발생할 수 있다. 또한 높은 온도에서 솔더페이스트가 녹아 베이스 플레이트의 휨, 결함 등이 유발될 수 있다.
이에 대한 해결 방안으로 AlSiC 또는 이와 유사한 재료로 250℃ 이하의 온도에서 세라믹기판과 베이스 플레이트를 접합한다. 그러나 이러한 방식은 접합 시 솔더페이스트와 솔더프리폼, 진공접합설비 등이 사용되기 때문에 공정 비용이 상승할 뿐만 아니라, 세라믹 기판과 베이스 플레이트의 열팽창 계수의 차이로 인한 휨 문제가 여전히 발생하여 접합 신뢰성과 수율 문제 등을 야기하고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 신뢰성을 향상시키고, 다양한 베이스 플레이트에 대한 고신뢰성 접합이 가능하며, 공정 단순화 및 공정비용 절감이 가능한 파워모듈의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 파워모듈의 제조 방법은, 베이스 플레이트를 준비하는 단계와, 베이스 플레이트의 상면에 브레이징 필러층을 배치하는 단계와, 베이스 플레이트 상에 세라믹기판을 적층하여 상부 지그 및 하부 지그 사이에 배치하는 단계와, 상부 지그와 하부 지그 사이의 이격 거리를 조절하여 베이스 플레이트와 세라믹기판을 가압하는 단계와, 브레이징 필러층을 용융시켜 브레이징하는 단계를 포함할 수 있다.
상부 지그 및 하부 지그 사이에 배치하는 단계에서, 상부 지그와 하부 지그는 가장자리에 복수의 체결공이 형성되고, 베이스 플레이트의 가장자리에 형성된 복수의 삽입공은 복수의 체결공과 마주하도록 배치될 수 있다.
베이스 플레이트와 세라믹기판을 가압하는 단계에서, 볼트는 상부 지그의 체결공, 베이스 플레이트의 삽입공 및 하부 지그의 체결공을 관통하여 나사 결합되고, 상부 지그와 하부 지그 사이의 이격 거리는 볼트의 회전에 의해 조절될 수 있다.
상부 지그 및 하부 지그 사이에 배치하는 단계에서, 상부 지그는 세라믹기판과 접하는 일면이 평면으로 구비되고, 하부 지그는 베이스 플레이트와 접하는 일면이 평면으로 구비될 수 있다.
상부 지그 및 하부 지그 사이에 배치하는 단계에서, 상부 지그는 세라믹기판과 접하는 일면이 세라믹기판을 향하여 볼록하게 구비되고, 하부 지그는 베이스 플레이트와 접하는 일면이 평면으로 구비될 수 있다.
상부 지그 및 하부 지그 사이에 배치하는 단계에서, 상부 지그는 일면에 제1 홈이 형성되어 제1 홈에 수용되는 세라믹기판의 외면을 감싸도록 구비되고, 하부 지그는 일면에 제2 홈이 형성되어 제2 홈에 수용되는 베이스 플레이트의 외면을 감싸도록 구비될 수 있다.
브레이징 필러층을 배치하는 단계에서, 페이스트 도포, 포일(foil) 부착, P-filler 중 어느 하나의 방법으로 베이스 플레이트의 상면에 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 두께를 갖는 브레이징 필러층을 배치할 수 있다.
브레이징 필러층을 배치하는 단계에서, 브레이징 필러층은 Ag, Cu, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어질 수 있다.
브레이징하는 단계는, 780℃ 내지 900℃에서 수행할 수 있다.
베이스 플레이트를 준비하는 단계에서, 베이스 플레이트는 Cu, Al, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu 및 Cu/W/Cu 중 적어도 하나 또는 이들의 복합소재로 이루어질 수 있다.
상부 지그 및 하부 지그 사이에 배치하는 단계에서, 상부 지그 및 하부 지그는 S45C, SKD11, SUS 중 적어도 하나의 소재로 이루어질 수 있다.
본 발명은 베이스 플레이트를 세라믹기판에 브레이징 접합함으로써 접합강도가 높아지고, 솔더프리폼의 사용처럼 진공접합설비 등을 요구하지 않으므로 공정단순화가 가능하다.
또한, 본 발명은 베이스 플레이트와 세라믹기판을 상부 지그와 하부 지그로 가압한 상태에서 브레이징 접합하기 때문에 상부 지그와 하부 지그가 베이스 플레이트와 세라믹기판의 변형을 구속시켜 휨을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은 베이스 플레이트와 세라믹기판의 휨을 억제할 수 있기 때문에, 열 전달 효과가 우수해져 방열 특성을 향상시킬 수 있고, 사이징(Sizing)과 같은 후 공정을 수행할 때 치수의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 브레이징 필러층은 열의 이동을 용이하게 하여 세라믹기판의 열이 베이스 플레이트로 빠르게 이동하므로 방열 효과를 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 정면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 파워모듈의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파워모듈 제조방법에서 베이스 플레이트 상에 세라믹기판을 적층하여 상부 지그 및 하부 지그 사이에 배치한 상태를 나타낸 정면도이다.
도 5는 도 4의 상부 지그와 하부 지그를 나타낸 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 파워모듈 제조방법에서 상부 지그와 상기 하부 지그 사이의 이격 거리를 조절한 상태를 나타낸 정면도이다.
도 7은 상부 지그와 하부 지그 없이 베이스 플레이트와 세라믹기판을 브레이징 접합한 비교예를 나타낸 사진이다.
도 8은 상부 지그와 하부 지그를 이용하여 세라믹기판과 베이스 플레이트를 가압한 상태로 브레이징 접합한 실시예를 나타낸 사진이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 상부 지그와 하부 지그 사이에 베이스 플레이트와 세라믹기판을 배치한 상태를 나타낸 정면도이다.
도 10은 도 9의 상부 지그와 하부 지그 사이의 이격 거리를 조절한 상태를 나타낸 정면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 상부 지그와 하부 지그 사이에 베이스 플레이트와 세라믹기판을 배치한 상태를 나타낸 정면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 정면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 파워모듈의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파워모듈 제조방법에서 베이스 플레이트 상에 세라믹기판을 적층하여 상부 지그 및 하부 지그 사이에 배치한 상태를 나타낸 정면도이다.
도 5는 도 4의 상부 지그와 하부 지그를 나타낸 평면도이다.
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도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 상부 지그와 하부 지그 사이에 베이스 플레이트와 세라믹기판을 배치한 상태를 나타낸 정면도이다.
도 10은 도 9의 상부 지그와 하부 지그 사이의 이격 거리를 조절한 상태를 나타낸 정면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 상부 지그와 하부 지그 사이에 베이스 플레이트와 세라믹기판을 배치한 상태를 나타낸 정면도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 파워모듈에 포함되는 구성 중 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조에 특징이 있으므로, 이를 중심으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 정면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바에 의하면, 본 발명은 베이스 플레이트(100), 베이스 플레이트(100)의 상면에 배치되는 브레이징 필러층(200) 및 브레이징 필러층(200)을 매개로 베이스 플레이트(100)의 상면에 브레이징 접합되는 세라믹기판(300)을 포함할 수 있다.
파워모듈은 세라믹기판(300)의 상면에 반도체 칩(미도시)이 실장될 수 있다. 반도체 칩은 Si, SiC, GaN 등의 반도체 칩일 수 있다.
세라믹기판(300)은 AMB(Active Metal Brazing) 기판, DBC(Direct Bonded Copper) 기판, TPC(Thick Printing Copper) 기판 중 어느 하나일 수 있다. 여기서, 세라믹기판(300)은 반도체 칩으로부터 발생하는 열의 방열 효율을 높일 수 있도록, 세라믹기재(310)와 상기 세라믹기재(310)의 상하면에 금속층(320,330)이 형성된 세라믹기판으로 구비될 수 있다.
세라믹기재(310)는 알루미나(Al2O3), AlN, SiN, Si3N4 중 어느 하나인 것을 일 예로 할 수 있다.
금속층(320,330)은 세라믹기재(310) 상에 금속박이 브레이징 접합되어 반도체 칩을 실장하는 전극패턴 및 구동소자를 실장하는 전극패턴으로 형성될 수 있다. 예컨데, 금속층(320,330)은 반도체 칩 또는 주변 부품이 실장될 영역에 전극패턴으로 형성될 수 있다. 금속박은 알루미늄박 또는 동박인 것을 일 예로 한다. 금속박은 세라믹기재(310)와 브레이징 접합되는 것을 일예로 한다. 이러한 기판을 AMB(Active Metal Brazing) 기판이라 한다. 실시예는 AMB 기판을 예로 들어 설명하나 DBC(Direct Bonding Copper) 기판, TPC(Thick Printing Copper) 기판, DBA 기판(Direct Brazed Aluminum)을 적용할 수도 있다. 여기서, AMB 기판은 내구성 및 방열 효율면에서 가장 적합하다.
베이스 플레이트(100)는 세라믹기판(300)의 하면에 접합되어 반도체 칩에서 발생하는 열을 방열하기 위한 방열판으로 사용된다.
베이스 플레이트(100)는 소정의 두께를 가지는 사각 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 베이스 플레이트(100)는 방열 효율을 높일 수 있는 소재로 형성된다. 일 예로, 베이스 플레이트(100)는 Cu, Al, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu 및 Cu/W/Cu 중 적어도 하나 또는 이들의 복합소재로 이루어질 수 있다. Cu, Al, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu 및 Cu/W/Cu의 소재는 열전도도가 우수하고, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu 및 Cu/W/Cu의 소재는 저열팽창 계수를 가져 세라믹기판(300)과 접합 시 휨 발생을 최소화할 수 있다.
베이스 플레이트(100)는 가장자리에 복수의 삽입공(110)이 형성될 수 있다. 일예로, 베이스 플레이트는 네 모서리에 인접한 가장자리에 4개의 삽입공(110)이 형성될 수 있다. 이러한 삽입공(110)은 후술할 상부 지그(10) 및 하부 지그(20)의 복수의 체결공(11,21)과 마주하도록 배치될 수 있다.
브레이징 필러층(200)은 베이스 플레이트(100)의 상면에 배치될 수 있다. 브레이징 필러층(200)은 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300) 간의 접합 특성을 확보하기 위한 것이다. 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300) 간을 솔더링 접합할 수도 있으나, 솔더링 접합은 고온에서 휨 발생으로 인해 공극이 발생하고 그로 인해 접합 신뢰성이 낮다.
브레이징 필러층(200)은 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 두께를 가진다. 브레이징 필러층(200)은 다층 구조의 박막으로 형성할 수 있다. 다층 구조의 박막은 부족한 성능을 보완하여 접합력을 높이기 위한 것이다. 브레이징 필러층(200)은 Ag, Cu, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어질 수 있다. Ag와 Cu는 열전도도가 높아 접합력을 높이는 역할과 동시에 세라믹기판(300)과 베이스 플레이트(100) 간 열 전달을 용이하게 하여 방열 효율을 높인다. Ti는 젖음성이 좋아 베이스 플레이트(100)에 Ag와 Cu의 부착을 용이하게 한다.
일 예로, 브레이징 필러층(200)은 Ag층과 Ag층 상에 형성된 Cu층을 포함하는 2층 구조로 이루어질 수 있다. 또는 브레이징 필러층(200)은 Ti층(200a)과 Ti층(200a) 상에 형성된 Ag층(200b)과 Ag층(200b) 상에 형성된 Cu층(200c)을 포함하는 3층 구조로 이루어질 수 있다. 브레이징 필러층(200)은 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)의 접합에 사용되며, 브레이징 접합 후 다층 구조의 경계가 모호해질 수 있다.
브레이징 필러층(200)은 세라믹기판(300)의 하부에 구비된 금속층(330)의 부피 대비 85~115% 범위의 부피를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 브레이징 필러층(200)의 부피는 접합 면적x높이를 의미한다. 세라믹기판(300)의 금속층(330) 부피와 비교하여 브레이징 필러층(200)의 부피 차이가 클 경우, 휨의 정도가 더 커지는 문제점이 있다. 따라서, 베이스 플레이트(100)의 접합면적 및 부피를 고려하여, 브레이징 필러층(200)은 세라믹기판(300)의 금속층(330) 부피 대비 85~115% 범위의 부피를 갖도록 설계되는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 파워모듈의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 실시예에 따른 파워모듈의 제조방법은 도 3에 도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(100)를 준비하는 단계(S10)와, 베이스 플레이트(100)의 상면에 브레이징 필러층(200)을 배치하는 단계(S20)와, 베이스 플레이트(100) 상에 세라믹기판(300)을 적층하여 상부 지그(10) 및 하부 지그(20) 사이에 배치하는 단계(S30)와, 상부 지그(10) 및 하부 지그(20) 사이의 이격 거리를 조절하여 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)을 가압하는 단계(S40)와, 브레이징 필러층(200)을 용융시켜 브레이징하는 단계(S50)를 포함할 수 있다.
베이스 플레이트(100)를 준비하는 단계(S10)에서, 베이스 플레이트(100)는 Cu, Al, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu 중 적어도 하나 또는 이들의 복합소재로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 베이스 플레이트(100)는 AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu 중 적어도 하나 또는 이들의 복합소재로 이루어질 수 있다. AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu 재질은 Cu와 Al에 비해 낮은 열팽창 계수를 가져 고온에서 열팽창 계수의 차이로 늘어나는 휨 현상을 최소화할 수 있다.
베이스 플레이트(100)는 저열팽창 계수(Low CTE)를 가지도록 다층 구조로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 베이스 플레이트(100)는 열팽창 계수가 낮은 Mo, W, CuMo, CuW 중 하나인 금속시트의 상면과 하면에 열전도도가 우수한 Cu 금속시트를 접합한 다층 구조로 이루어질 수 있다. Cu/CuMo/Cu의 3층 구조로 형성된 베이스 플레이트(100)의 경우, CuMo는 낮은 열팽창 계수를 가져 휨을 방지하기 위한 것이고, Cu는 방열을 위한 열전도도 확보를 위한 것이다. 즉, Cu 금속시트에 휨이 발생하더라도 CuMo 금속시트가 이를 흡수하여 억제할 수 있다.
베이스 플레이트(100)의 두께는 1.0mm~3.0mm 범위일 수 있다. 바람직하게는 베이스 플레이트(100)의 두께는 2.0mm 이상으로 되어 방열에 유리하고 휨 발생이 최소화될 수 있다.
베이스 플레이트(100)의 상면에 브레이징 필러층(200)을 배치하는 단계(S20)는, 페이스트 도포, 포일(foil) 부착, P-filler 중 어느 하나의 방법으로 베이스 플레이트(100)의 상면에 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 두께를 갖는 브레이징 필러층(200)을 배치할 수 있다. 브레이징 필러층(200)은 Ag, Cu, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어질 수 있다.
베이스 플레이트(100) 상에 세라믹기판(300)을 적층하여 상부 지그(10) 및 하부 지그(20) 사이에 배치하는 단계(S30)에서, 세라믹기판(300)은 세라믹기재(310)와 세라믹기재(310)의 상하면에 브레이징 접합된 금속층(320,330)을 포함하는 세라믹기판(300)이 구비될 수 있다. 일 예로, 세라믹기판은 AMB 기판, DBC 기판, TPC 기판, DBA 기판 중 어느 하나가 구비될 수 있다.
세라믹기판(300)을 베이스 플레이트(100) 상에 적층하면, 세라믹기판(300)의 하면에 구비된 금속층(330)과 베이스 플레이트(100)가 브레이징 필러층(200)을 매개로 접합 가능한 위치에 배치될 수 있다. 따라서, 세라믹기판(300)의 상면에 구비된 금속층(320)에 반도체 칩이 실장되면, 반도체 칩에서 발생하는 열이 세라믹기판(300)의 하부에 접합된 베이스 플레이트(100)를 통해 용이하게 방열될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파워모듈 제조방법에서 베이스 플레이트 상에 세라믹기판을 적층하여 상부 지그 및 하부 지그 사이에 배치한 상태를 나타낸 정면도이고, 도 5는 도 4의 상부 지그와 하부 지그를 나타낸 평면도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상부 지그(10) 및 하부 지그(20) 사이에 배치하는 단계(S30)에서, 상부 지그(10)와 하부 지그(20)는 장방형의 금속판일 수 있다. 여기서, 상부 지그(10)는 세라믹기판과 접하는 일면(12)이 평면으로 구비되고, 하부 지그(20)는 베이스 플레이트와 접하는 일면(22)이 평면으로 구비될 수 있다.
상부 지그(10)와 하부 지그(20)의 소재는 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)의 변형을 구속시킬 수 있도록 S45C, SKD11, SUS(Stainless Use Steel) 중 적어도 하나의 소재로 이루어질 수 있다. 이러한 금형강, 공구강 소재는 높은 강성을 가지기 때문에 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)의 휨을 효과적으로 억제할 수 있다. 상부 지그(10)와 하부 지그(20)의 두께는 10T인 것을 일예로 한다.
상부 지그(10)와 하부 지그(20)는 가장자리에 복수의 체결공(11,21)이 형성될 수 있다. 일예로, 상부 지그(10)와 하부 지그(20)는 네 모서리에 인접한 가장자리에 4개의 체결공(11,21)이 형성될 수 있고, 상부 지그(10)의 체결공(11)과 하부 지그(20)의 체결공(21)은 서로 마주하도록 형성될 수 있다.
베이스 플레이트(100)는 가장자리에 복수의 삽입공(110)이 형성될 수 있다. 베이스 플레이트(100) 상에 세라믹기판(300)을 적층하여 상부 지그(10)와 하부 지그(20) 사이에 배치할 때, 베이스 플레이트(100)의 복수의 삽입공(110)은 복수의 체결공(11,21)과 마주하도록 배치될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 파워모듈 제조방법에서 상부 지그와 상기 하부 지그 사이의 이격 거리를 조절한 상태를 나타낸 정면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상부 지그(10) 및 하부 지그(20) 사이의 이격 거리를 조절하여 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)을 가압하는 단계(S40)에서, 복수의 볼트(30)는 복수의 삽입공(110) 및 복수의 체결공(11,21)에 체결되어, 상부 지그(10), 베이스 플레이트(100) 및 하부 지그(20)를 일체화시킬 수 있다.
여기서, 볼트(30)는 상부 지그(10)의 체결공(11), 베이스 플레이트의 삽입공(110) 및 하부 지그(20)의 체결공(21)을 관통하여 삽입되고, 상부 지그(10) 및 하부 지그(20)의 체결공(11,21) 내면에 형성된 나사산과 나사 결합될 수 있다. 이때, 볼트(30)가 조이거나 풀어지도록 회전되면, 상부 지그(10)와 하부 지그(20) 사이의 이격 거리가 조절될 수 있다.
상부 지그(10)와 하부 지그(20) 사이의 이격 거리는, 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)의 위치를 고정시킬 정도의 구속력이 가해지도록 조절될 수 있다. 즉, 상부 지그(10)와 하부 지그(20) 사이의 이격 거리는 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)에 손상을 주지 않는 선에서 휨을 억제할 수 있는 정도까지만 조절되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명은 브레이징 필러층(200)을 용융시켜 브레이징하는 단계(S50) 이전에 상부 지그(10)와 하부 지그(20)로 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)을 가압하여, 브레이징 접합 시 휨을 최대한 억제하는 것을 특징으로 한다.
세라믹기판(300)의 열팽창 계수는 약 6.8ppm/K 정도로 베이스 플레이트(100)의 열팽창 계수인 17ppm/K과 비교하여 큰 차이가 있다. 따라서, 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)은 고온에서 브레이징 접합하는 공정 중에 열팽창 계수의 차이에 의해 휨이 발생한다. 열팽창 계수 간의 차이가 클 경우, 휨의 정도가 크기 때문에 사이징(sizing)과 같은 형상화 과정을 진행하더라도 휨을 제거하는데 한계가 있다.
도 7은 상부 지그(10)와 하부 지그(20) 없이 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)을 브레이징 접합한 비교예를 나타낸 사진이고, 도 8은 상부 지그(10)와 하부 지그(20)를 이용하여 세라믹기판(300)과 베이스 플레이트(100)를 가압한 상태로 브레이징 접합한 실시예를 나타낸 사진이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)은 위로 볼록한 형태로 휨이 발생하고, 휨의 정도는 약 0.832mm 정도로 나타났다.
반면, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)은 휨의 정도가 약 0.124mm 정도로 억제된 것으로 나타났다. 이와 같이 본 발명은 상부 지그(10)와 하부 지그(20)를 이용하여 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)을 가압한 상태로 브레이징 접합하기 때문에, 휨을 최대한 억제할 수 있다. 상부 지그(10)와 하부 지그(20)는 S45C, SKD11, SUS 등의 높은 강성을 가진 재료로 형성되기 때문에 고온에서도 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)의 변형을 최대한 억제할 수 있다.
베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)의 휨이 억제됨으로써 열 전달 효과가 우수해져 방열 특성을 향상시킬 수 있고, 사이징(Sizing)과 같은 후 공정을 수행할 때 치수의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
한편, 브레이징 필러층(200)을 용융시켜 브레이징하는 단계(S50)는, 상부 지그(10) 및 하부 지그(20)에 의해 가압된 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)을 브레이징로(미도시) 내에 배치하여 브레이징 필러층(200)을 용융시킬 수 있다.
브레이징로는 가열 온도를 450℃ 이상, 바람직하게는 780~900℃ 범위로 제어하여 효율적인 브레이징 공정이 이루어지도록 한다. 일 예로, 바람직한 브레이징 온도는 870℃이다.
브레이징 필러층(200)을 용융시켜 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)을 브레이징 접합하는 방식은 솔더프리폼의 사용처럼 진공접합설비 등을 요구하지 않으므로 공정단순화가 가능하고, 접합강도가 높아지므로 높은 접합 신뢰성을 갖는다.
브레이징하는 단계(S50)를 거치면, 베이스 플레이트(100)는 세라믹기판(300)과 일체화될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 상부 지그와 하부 지그 사이에 베이스 플레이트와 세라믹기판을 배치한 상태를 나타낸 정면도이고, 도 10은 도 9의 상부 지그와 하부 지그 사이의 이격 거리를 조절한 상태를 나타낸 정면도이다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 상부 지그(10') 및 하부 지그(20') 사이에 배치하는 단계(S30)에서, 다른 실시예에 의한 상부 지그(10')는 볼트(30')와 체결되는 체결공(11')이 구비되고, 세라믹기판(300)과 접하는 일면(12')이 세라믹기판(300)을 향하여 볼록하게 구비될 수 있다. 하부 지그(20')는 볼트(30')와 체결되는 체결공(21')이 구비되고, 베이스 플레이트(100)와 접하는 일면(22')이 평면으로 구비될 수 있다.
도 7을 참조하면, 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)은 브레이징 시 중심부가 위로 볼록한 형태로 휨이 발생한다.
따라서, 상부 지그(10')에서 세라믹기판(300)과 접하는 일면(12')이 세라믹기판(300)을 향하여 볼록하게 구비될 경우, 상부 지그(10')의 볼록한 일면(12')을 이용하여 휨의 정도가 큰 세라믹기판(300)의 중심부를 좀 더 강하게 가압할 수 있다는 장점이 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 상부 지그와 하부 지그 사이에 베이스 플레이트와 세라믹기판을 배치한 상태를 나타낸 정면도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 상부 지그(10") 및 하부 지그(20") 사이에 배치하는 단계(S30)에서, 또 다른 실시예에 의한 상부 지그(10")는 볼트와 체결되는 체결공(11")이 구비되고, 일면(12")에 제1 홈(13")이 형성되어 제1 홈(13")에 수용되는 세라믹기판(300)의 외면을 감쌀 수 있다. 일예로, 상부 지그(10")의 제1 홈(13")은 세라믹기판(300)의 금속층(320) 및 세라믹기재(310)의 일부를 감싸는 크기로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 제1 홈(13")의 크기는 적절하게 변경이 가능하다.
또한, 하부 지그(20")는 볼트와 체결되는 체결공(21")이 구비되고, 일면(22")에 제2 홈(23")이 형성되어 제2 홈(23")에 수용되는 베이스 플레이트(100)의 외면을 감쌀 수 있다. 일예로, 하부 지그(20")의 제2 홈(23")은 베이스 플레이트(100)의 일부를 감싸는 크기로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 제2 홈(23")의 크기는 적절하게 변경이 가능하다.
이와 같이, 상부 지그(10") 및 하부 지그(20")에 제1 및 제2 홈(13",23")을 형성될 경우, 세라믹기판(300)과 베이스 플레이트(100)는 제1 및 제2 홈(13",23")의 내면과 접하도록 삽입될 수 있다. 이때, 상부 지그(10")는 제1 홈(13")으로 인해 세라믹기판(300)과의 접촉 면적이 넓어지고, 하부 지그(20")는 제2 홈(23")으로 인해 베이스 플레이트(100)와의 접촉 면적이 넓어질 수 있다. 이와 같이 상부 지그(10") 및 하부 지그(20")와의 접촉 면적이 넓어짐에 따라, 세라믹기판(300) 및 베이스 플레이트(100)는 휨이 좀 더 강하게 억제될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 홈(13",23")을 이용하여 세라믹기판(300)과 베이스 플레이트(100)의 상호 얼라인(align)을 정확히 일치시키기가 용이하고, 브레이징 시 고온 환경에서 서로 위치가 틀어지는 문제가 발생하지 않아 접합 정밀도를 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
한편, 본 발명은 베이스 플레이트(100)가 세라믹기판(300)의 금속층(330)에 접합된 예를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 베이스 플레이트(100)는 세라믹기판(300)에서 금속층(330)이 형성되지 않은 영역에도 브레이징 필러층(200)을 매개로 접합될 수 있다.
상술한 본 발명은 베이스 플레이트와 세라믹기판을 상부 지그와 하부 지그로 가압한 상태에서 브레이징 접합하기 때문에 상부 지그와 하부 지그가 베이스 플레이트와 세라믹기판의 변형을 구속시켜 휨을 억제할 수 있고, 방열 효과가 높다.
또한, 브레이징 접합은 종래의 솔더프리폼의 사용처럼 진공접합설비 등을 요구하지 않으므로 공정단순화가 가능하여 공정비용 절감에 기여할 수 있고, 접합강도가 높아지므로 접합 신뢰성을 높일 수 있다.
상술한 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조는 파워모듈에 적용되는 것을 예로 들어 설명하였으나, 고신뢰성 접합이 요구되는 다양한 접합 구조에 적용 가능하다.
또한, 본 발명은 실시예, 다른 실시예 및 또 다른 실시예로 분리하여 설명하였으나 이들을 혼용하여 적용 가능하다.
본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10,10',10": 상부 지그
11,11',11": 체결공
12,12',12": 일면 20,20',20": 하부 지그
21,21',21": 체결공 22,22',22": 일면
13": 제1 홈 23": 제2 홈
30,30': 볼트 100: 베이스 플레이트
110: 삽입공 200: 브레이징 필러층
200a: Ti층 200b: Ag층
200c: Cu층 300: 세라믹기판
310: 세라믹기재 320,330: 금속층
12,12',12": 일면 20,20',20": 하부 지그
21,21',21": 체결공 22,22',22": 일면
13": 제1 홈 23": 제2 홈
30,30': 볼트 100: 베이스 플레이트
110: 삽입공 200: 브레이징 필러층
200a: Ti층 200b: Ag층
200c: Cu층 300: 세라믹기판
310: 세라믹기재 320,330: 금속층
Claims (11)
- 베이스 플레이트를 준비하는 단계;
상기 베이스 플레이트의 상면에 브레이징 필러층을 배치하는 단계;
상기 베이스 플레이트 상에 세라믹기판을 적층하여 상부 지그 및 하부 지그 사이에 배치하는 단계;
상기 상부 지그와 상기 하부 지그 사이의 이격 거리를 조절하여 상기 베이스 플레이트와 상기 세라믹기판을 가압하는 단계; 및
상기 브레이징 필러층을 용융시켜 브레이징하는 단계;
를 포함하는 파워모듈의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 상부 지그 및 하부 지그 사이에 배치하는 단계에서,
상기 상부 지그와 상기 하부 지그는 가장자리에 복수의 체결공이 형성되고,
상기 베이스 플레이트의 가장자리에 형성된 복수의 삽입공은 상기 복수의 체결공과 마주하도록 배치되는 파워모듈의 제조방법. - 제2항에 있어서,
상기 베이스 플레이트와 상기 세라믹기판을 가압하는 단계에서,
볼트는 상기 상부 지그의 체결공, 상기 베이스 플레이트의 삽입공 및 상기 하부 지그의 체결공을 관통하여 나사 결합되고,
상기 상부 지그와 상기 하부 지그 사이의 이격 거리는 상기 볼트의 회전에 의해 조절되는 파워모듈의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 상부 지그 및 하부 지그 사이에 배치하는 단계에서,
상기 상부 지그는 상기 세라믹기판과 접하는 일면이 평면으로 구비되고,
상기 하부 지그는 상기 베이스 플레이트와 접하는 일면이 평면으로 구비된 파워모듈의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 상부 지그 및 하부 지그 사이에 배치하는 단계에서,
상기 상부 지그는 상기 세라믹기판과 접하는 일면이 상기 세라믹기판을 향하여 볼록하게 구비되고,
상기 하부 지그는 상기 베이스 플레이트와 접하는 일면이 평면으로 구비된 파워모듈의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 상부 지그 및 하부 지그 사이에 배치하는 단계에서,
상기 상부 지그는 일면에 제1 홈이 형성되어 상기 제1 홈에 수용되는 상기 세라믹기판의 외면을 감싸도록 구비되고,
상기 하부 지그는 일면에 제2 홈이 형성되어 상기 제2 홈에 수용되는 상기 베이스 플레이트의 외면을 감싸도록 구비되는 파워모듈의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 브레이징 필러층을 배치하는 단계에서,
페이스트 도포, 포일(foil) 부착, P-filler 중 어느 하나의 방법으로 상기 베이스 플레이트의 상면에 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 두께를 갖는 브레이징 필러층을 배치하는 파워모듈의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 브레이징 필러층을 배치하는 단계에서,
상기 브레이징 필러층은 Ag, Cu, AgCu 및 AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 이루어지는 파워모듈의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 브레이징하는 단계는,
780℃ 내지 900℃에서 수행하는 파워모듈의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 베이스 플레이트를 준비하는 단계에서,
상기 베이스 플레이트는 Cu, Al, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu 및 Cu/W/Cu 중 적어도 하나 또는 이들의 복합소재로 이루어지는 파워모듈의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 상부 지그 및 하부 지그 사이에 배치하는 단계에서,
상기 상부 지그 및 상기 하부 지그는 S45C, SKD11, SUS 중 적어도 하나의 소재로 이루어지는 파워모듈의 제조방법.
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