KR20230039649A - 절연 기판 및 그 제조 방법 - Google Patents

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세이야 유키
다카시 이데노
준이치 기노시타
유키히로 기타무라
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도와 메탈테크 가부시키가이샤
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Abstract

세라믹스 기판(10)의 한쪽 주면에, 방열측 금속판(12)의 한쪽 주면이 납재층을 통해 경납땜된 절연 기판이며, 세라믹스 기판(10)과 방열측 금속판(12) 사이에서 노출되는 납재층(14)을 덮는 Ni 도금층(20)이 마련되고, 방열측 금속판(12)의 다른 쪽 주면의 적어도 일부가 Ni 도금층으로 덮여 있지 않고, 방열측 금속판(12)의 표면이 노출된 상태인 것을 특징으로 하는, 절연 기판(1)이다. 본 발명에 따르면, 절연 기판(1)(단체)의 통로 내성이 우수하고, 또한 절연 기판(1)에 방열판을 납땜한 상태에서의 히트 사이클 특성도 우수한 절연 기판(1)을 얻을 수 있게 된다.

Description

절연 기판 및 그 제조 방법
본 발명은 반도체 파워 모듈 등에 이용되는 절연 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
예를 들어 특허문헌 1에 개시된 바와 같이, 반도체 파워 모듈 등에 이용되는 절연 기판은, AlN, Al2O3, Si3N4 등을 포함하는 세라믹스 기판의 양면에 동판을 납재층에 의해 경납땜한 구성으로 되어 있다. 그리고, 회로측의 동판은 소정의 구리 회로로 되어, 반도체 칩 등의 전자 부품이 납땜되고, 방열측의 동판에는 열전도성이 우수한 Cu나 Al 등의 방열판(베이스판)이 납땜되어, 반도체 파워 모듈 등이 제작된다.
이러한 절연 기판에 있어서는, 예를 들어 특허문헌 2에 개시된 바와 같이, 절연 기판으로서, Ag와 Cu 및 활성 금속을 포함하는 납재를 사용하여 금속판을 세라믹 기판에 접합한 금속-세라믹 절연 기판이 사용되고 있다. 또한, 특허문헌 3에 개시된 바와 같이, 전자 부품이나 방열판의 납땜을 양호하게 함과 함께, 내식성을 향상시키기 위해, Ni 도금으로 동판 전체를 피복하는 것이 행해지고 있다.
일본 특허 공개 제2009-70863호 공보 일본 특허 공개 제2010-241627호 공보 일본 특허 공개 제2001-24296호 공보
Cu판 등의 금속판과 AlN 기판 등의 세라믹스 기판을 접합한 절연 기판은, 세라믹스 기판의 한쪽 주면에 방열측 금속판이 형성되고, 세라믹스 기판의 다른 쪽 주면에 회로측 금속판(회로 패턴)이 형성되고, 세라믹스 기판과 방열측 금속판 및 회로측 금속판은, 납재층을 통해 접합되어 있다.
파워 모듈용 기판으로서 상기 절연 기판이 사용되는 경우, 상기 방열측 금속판의 표면(다른 쪽 주면)에는 예를 들어 Cu를 포함하는 판상의 비교적 두꺼운(예를 들어 2 내지 5mm 정도의) 방열판(베이스판)이 땜납에 의해 접합되고, 상기 회로측 금속판의 표면(다른 쪽 주면)에는 반도체 칩 등의 전자 부품이나 단자 등이 납땜이나 초음파 접합 등에 의해 탑재된다. 또한, 파워 반도체 등의 본딩 등에 의한 배선이 완성된 후에, 방열판 상에 절연 기판을 둘러싸도록 수지제의 케이스가 형성되고, 밀봉용의 겔 재료가 케이스 내에 충전되고, 케이스의 덮개가 닫히는, 등의 공정을 거쳐, 파워 모듈이 제조된다.
절연 기판에는 상술한 파워 모듈 조립 공정에서 발생하는 열 부하(열 이력)에 대한 (절연 기판 단체에서의) 신뢰성(통로 내성)이 요구된다. 또한 근년, 절연 기판은, 절연 기판에 방열판을 납땜한 상태에 있어서, 가일층의 고온에서의 엄격한 히트 사이클 특성의 향상에 대한 요망이 높아지고 있다.
그러나, 특허문헌 1, 3의 세라믹스 절연 기판은 절연 기판 단체에서의 통로 내성에 있어서 충분하지 않아, 통로 후에 세라믹스 기판에 크랙이 발생할 우려가 있다. 특허문헌 2의 절연 기판은, 절연 기판 단체에서의 통로 내성은 우수하지만, 절연 기판의 방열측 금속판에 방열판을 납땜한 상태에서 고온 히트 사이클 시험을 행하면, 세라믹스 기판에 균열이 발생하는 것을 알게 되었다.
본 발명은, 이러한 사정에 비추어 이루어진 것으로, 절연 기판 단체에서의 통로 내성이 우수하고, 또한 절연 기판에 방열판을 납땜한 상태(즉 파워 모듈에 절연 기판을 내장한 상태를 상정)에서의 고온에서의 히트 사이클 특성이 우수한 절연 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 세라믹스 기판에 발생하는 크랙의 요인에 대하여 검토하였다. 그 결과, 전자 부품이나 방열판을 절연 기판에 납땜했을 때, 동판을 접합하고 있는 납재층 중에 땜납 유래의 성분(예를 들어 Sn)이 침식(확산)하여 납재의 성분(예를 들어 Ag, Cu 등)과 취약한 화합물을 형성하는 것과 같은, 납재층의 땜납 침식이, 크랙의 요인이 되는 것은 아닐까라는 추측이 얻어졌다. 그래서, 본 발명에서는, Ni 도금을 이용하여, 납재층과 땜납이 직접 접촉하는 것을 방지함으로써, 납재층 중에 Sn 등의 땜납 구성 성분이 확산되는 것을 피하도록 하였다.
본 발명에 따르면, 세라믹스 기판의 한쪽 주면에, 방열측 금속판의 한쪽 주면이 납재층을 통해 경납땜된 절연 기판이며, 상기 세라믹스 기판과 상기 방열측 금속판 사이에서 노출되는 납재층을 덮는 Ni 도금층이 마련되고, 상기 방열측 금속판의 다른 쪽 주면의 적어도 일부가 Ni 도금층으로 덮여 있지 않고, 상기 방열측 금속판의 표면이 노출된 상태인 것을 특징으로 하는, 절연 기판이 제공된다.
이 절연 기판에 있어서, 상기 방열측 금속판의 측면의 일부 혹은 전부가 상기 Ni 도금층으로 덮여 있어도 된다. 또한, 상기 방열측 금속판의 다른 쪽 주면의 주위가 상기 Ni 도금층으로 덮여 있어도 된다. 또한, 상기 세라믹스 기판의 다른 쪽 주면에, 회로측 금속판의 한쪽 주면이 납재층을 통해 경납땜되어 있어도 된다. 상기 회로측 금속판이 동판 또는 구리 합금판이어도 된다. 또한, 상기 방열측 금속판이 동판 또는 구리 합금판이어도 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 세라믹스 기판의 한쪽 주면에, 방열측 금속판의 한쪽 주면이 납재층을 통해 접합되고, 세라믹스 기판의 다른 쪽 주면에, 회로측 금속판의 한쪽 주면이 납재층을 통해 접합된 절연 기판에 있어서, 상기 방열측 금속판의 다른 쪽 주면에 도금 레지스트를 형성하고, 상기 도금 레지스트가 형성된 절연 기판을 Ni 도금액 중에 침지시켜, 상기 도금 레지스트가 형성되어 있지 않은 상기 세라믹스 기판과 상기 방열측 금속판 사이에서 노출되는 납재층에 Ni 도금층을 형성하고, 이어서 상기 도금 레지스트를 박리하는 것을 특징으로 하는, 절연 기판의 제조 방법이 제공된다.
이 절연 기판의 제조 방법에 있어서, 상기 방열측 금속판의 측면의 일부 혹은 전부가 상기 Ni 도금층으로 덮여 있어도 된다. 또한, 상기 방열측 금속판의 다른 쪽 주면의 주위가 상기 Ni 도금층으로 덮여 있어도 된다. 또한, 상기 회로측 금속판의 다른 쪽 주면에 도금 레지스트를 형성하고, 상기 세라믹스 기판과 상기 회로측 금속판 사이에서 노출되는 납재층에 Ni 도금층을 형성해도 된다. 또한, 상기 회로측 금속판의 측면의 일부 혹은 전부가 상기 Ni 도금층으로 덮여 있어도 된다. 또한, 상기 방열측 금속판 및 상기 회로측 금속판이, 동판 또는 구리 합금판이어도 된다. 또한, 상기 납재층이 Cu, Ag, Sn에서 선택되는 어느 하나의 금속 성분과, Ti, Hf, Zr에서 선택되는 어느 하나의 활성 금속 성분을 가져도 된다.
본 발명에 따르면, 절연 기판(단체)의 통로 내성이 우수하고, 또한 절연 기판에 방열판을 납땜한 상태에서의 히트 사이클 특성도 우수한 절연 기판을 얻을 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 절연 기판의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 절연 기판의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 절연 기판의 단면도이다.
도 4는 Ni 도금층이 없는 비교예 1에 관한 절연 기판의 단면도이다.
도 5는 동판 전체를 Ni 도금층으로 피복한 비교예 2에 관한 절연 기판의 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태의 일례에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 요소에 있어서는, 동일한 번호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 관한 절연 기판(1)은 AlN, Al2O3, Si3N4 등을 포함하는 (판상의) 세라믹스 기판(10)의 한쪽 주면(표면)에, (구리나 알루미늄 등을 포함하는) 방열측 금속판(12)의 한쪽 주면(표면)이 납재층(14)을 통해 납땜된 절연 기판(1)이며, 상기 세라믹스 기판(10)과 상기 방열측 금속판(12) 사이에서 노출되는 납재층(14)(의 단부)을 덮는 Ni 도금층(21)이 마련되고, 상기 방열측 금속판(12)의 다른 쪽 주면의 적어도 일부가 Ni 도금층으로 덮여 있지 않고, 상기 방열측 금속판의 표면이 노출된 상태인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방열측 금속판(12)의 측면(12a)의 일부 혹은 전부가 상기 Ni 도금층(21)으로 덮여 있어도 되고, 상기 방열측 금속판(12)의 다른 쪽 주면(표면)의 주위가 상기 Ni 도금층(21)으로 덮여 있어도 된다.
또한, 상기 세라믹스 기판(10)의 다른 쪽 주면(표면)에, (구리나 알루미늄 등을 포함하는) 회로측 금속판(11)의 한쪽 주면(표면)이 납재층(13)을 통해 납땜되어 있다. 또한, 상기 방열측 금속판(12)이 동판 또는 구리 합금판인 것이 바람직하고, 상기 회로측 금속판(11)이 동판 또는 구리 합금판인 것이 바람직하다. 또한, 상기 방열측 금속판(12)의 다른 쪽 주면에 있어서, Ni 도금층으로 덮여 있지 않고, 상기 방열측 금속판의 주면이 노출되어 있는 영역은, 상기 방열측 금속판의 다른 쪽 주면 면적에 대하여 70면적％ 이상인 것이 바람직하고, 80％ 이상인 것이 보다 바람직하고, 90％ 이상인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 도 1에서는, 세라믹스 기판(10)의 다른 쪽 주면(상측의 면)에, 회로측 금속판(11)의 한쪽 주면(표면)을 납재층(13)에 의해 납땜하고, 세라믹스 기판(10)의 한쪽 주면(하측의 면)에, 방열측 금속판(12)의 한쪽 주면(표면)을 납재층(14)에 의해 납땜한 상태를 나타내고 있다. 회로측 금속판(11)은 소정의 회로의 형상으로 되어 있고, 회로측 금속판(11)에는, 반도체 칩 등의 전자 부품(도시하지 않음)이 납땜된다. 또한, 방열측 금속판(12)에는 열전도성이 우수한 Cu나 Al의 방열판(베이스판, 도시하지 않음)이 방열측 금속판(12)의 다른 쪽 면의 거의 전체면에 납땜되어, 파워 모듈 등이 제작된다.
이러한 절연 기판(1)에 있어서는, 파워 모듈로서 사용된 경우에, 상술한 반도체 칩을 회로측 금속판(11)에 납땜할 때나 방열판을 방열측 금속판(12)에 납땜할 때, 나아가 반도체 칩의 통전 시에 발열이 반복되는 등에 의해, 세라믹스 기판(10)과 회로측 금속판(11) 및 방열측 금속판(12)의 열팽창률의 상위(相違)에 의해 발생하는 열응력, 나아가 히트 사이클 부하에 의해, 회로측 금속판(11), 방열측 금속판(12)의 단부에 있어서, 세라믹스 기판(10)의 표면에 응력 집중이 발생하여 세라믹스 기판(10)에 크랙을 발생시킬 우려가 있다. 그 때문에, 예를 들어 이 실시 형태에 관한 절연 기판(1)에 나타내는 바와 같이, 회로측 금속판(11), 방열측 금속판(12)의 측면(11a, 12a)을 테이퍼면으로 형성함으로써, 회로측 금속판(11), 방열측 금속판(12)의 단부에 있어서, 세라믹스 기판(10)에 발생하는 응력 집중을 완화시키는 대책이 강구되고 있다. 또한, 예를 들어 동판의 단부에 단차를 형성함으로써, 히트 사이클 특성을 향상시키는 기술도 알려져 있다. 이러한 열응력이나 히트 사이클 부하에 대하여 절연 기판(1)의 세라믹스 기판(10)에 크랙의 발생을 방지할 수 있는지는, 후술하는 절연 기판(1)(단체)의 통로 내성으로 평가할 수 있다.
그러나, 상기 통로 내성을 만족시켜도 절연 기판(1)에 문제가 발생하는 것으로 판명되었다. 즉 방열판을 납땜한 상태(예를 들어 반도체 파워 모듈에 내장된 상태)에서는, 방열측 금속판(12)의 단부보다 내측의 개소(접합 영역)에 있어서 세라믹스 기판(10)에 크랙을 발생시키는 경우가 있음을 알아냈다. 본 발명자는, 이 방열측 금속판(12)의 단부보다 내측의 개소에 있어서 세라믹스 기판(10)에 발생하는 크랙의 요인에 대하여 검토하였다. 그 결과, 방열판을 방열측 금속판(12)에 납땜했을 때, 납재층(14)에 땜납이 접촉하면, 땜납을 구성하는 성분(예를 들어 Sn)이 납재층으로 확산되어 납재층을 구성하는 Ag, Cu 등의 원소와 화합물이 형성되는 것과 같은, 납재층(14)의 땜납 침식이 발생하는 것으로 판명되었다. 그리고, 납재층(14)의 땜납 침식에 의해, 납재층(14)에 Cu-Sn 등의 취약한 화합물이 형성되는 것에 기인하는 것으로 생각되는 크랙이, 납재층(14)의 내부에(접합 계면에 대략 평행 방향으로) 발생하고 있는 것이 관찰되었다.
또한 절연 기판(1)의 단면의 해석을 행한 바, 방열측 금속판(12)의 단부보다 내측의 납재층(14) 중의 개소이며, 또한 납재층(14) 중의 크랙의 선단부에 있어서 세라믹스 기판(10)의 한쪽 면(표면)으로부터 두께 방향으로 크랙이 발생하고 있는 것이 관찰되었다. 또한, 시뮬레이션에 의해 응력 해석을 행한 바, 납재층(14) 중에 상기 크랙이 존재하면, 그 크랙의 선단부에서 세라믹스 기판(10)의 표면에 응력 집중이 발생하는 것이 확인되고, 이 응력 집중에 의해 세라믹스 기판(10)의 표면에 크랙의 발생이 일어나는 것으로 판명되었다. 근년, 파워 모듈의 동작 온도는 상승하는 경향이 있고, 또한 Sn 함유량이 많은 고온 땜납의 사용이 증가하고 있어, 상기한 납재 침식에 기인하는 세라믹스 기판(10)의 크랙 발생이 증가하는 것을 생각할 수 있다. 본 발명에서는, Ni 도금에 의해, 납재층(14)에의 땜납의 접촉을 방지함으로써, 납재층(14) 중으로의 Sn 등의 침식을 회피하도록 하여, 상기 납재층(14) 중으로의 크랙의 발생 및 그 선단으로부터의 세라믹스 기판에의 크랙의 발생을 억제하는 것에 성공하였다.
또한 상기 납재층 중의 크랙을 방지함으로써, 절연 기판의 방열성의 열화를 억제할 수 있다.
구체적으로는 도 1에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판(10)과 방열측 금속판(12) 사이에서 노출되는 납재층(14)의 단부를 덮도록, Ni 도금층(21)이 마련되어 있다. 이 실시 형태에 관한 절연 기판(1)에서는, 세라믹스 기판(10)과 방열측 금속판(12) 사이에서 노출되는 납재층(14)의 단부와 방열측 금속판(12)의 측면(12a)의 일부를 덮도록, Ni 도금층(21)이 마련되어 있다. 세라믹스 기판(10)과의 접합면(한쪽 면)을 제외한 방열측 금속판(12)의 표면에 있어서, Ni 도금층(21)이 존재하지 않는 나머지의 부분은 방열측 금속판(12)이 노출된 상태로 되어 있는, 즉, 방열판측 금속판(12)의 다른 쪽 면(도 1에서는 하면)과, 방열측 금속판(12)의 측면(12a)의 일부를 제외한 부분에는 Ni 도금층(21)이 없고, 방열측 금속판(12)의 표면이 노출된 상태로 되어 있다.
바꿔 말하면, 세라믹스 기판(10)과 방열측 금속판(12) 사이에서 노출되는 납재층(14)을 덮는 Ni 도금층(21)이 형성된 Ni 도금 영역이 마련되고, 상기 방열측 금속판(12)의 다른 쪽 주면(의 적어도 주위를 제외한 영역)은 Ni 도금이 형성되어 있지 않은 비Ni 도금 영역인 절연 기판(1)이다.
방열측 금속판(12)의 전체면을 Ni 도금으로 덮으면 통로 내성이 열화될 우려가 있으므로, 방열측 금속판(12)의 다른 쪽 주면은 Ni 도금으로 덮지 않는 것이 바람직하다.
또한, Ni 도금층(21)은 납재층(14)으로부터 납재층 중의 성분(예를 들어 Ag)과 땜납 구성 성분(예를 들어 Sn)의 상호 확산을 방지할 수 있는 기능을 갖고 있으면 되고, 본 발명의 Ni 도금층은, Ni 도금층 또는 Ni 합금 도금층을 의미하고, 예를 들어 전기 Ni 도금층, 무전해 Ni-P 도금층, 무전해 Ni-B 도금층 등의 Ni 또는 Ni 합금 도금도 포함된다.
또한, 도 1에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판(10)과 회로측 금속판(11) 사이에서 노출되는 납재층(13)의 단부를 덮도록, Ni 도금층(20)을 마련해도 된다. 이 실시 형태에 관한 절연 기판(1)에서는, 세라믹스 기판(10)과 회로측 금속판(11) 사이에서 노출되는 납재층(13)(의 단부)과 회로측 금속판(11)의 측면(11a)의 일부를 덮도록, Ni 도금층(20)이 마련되어 있다. 세라믹스 기판(10)과의 접합면을 제외한 회로측 금속판(11)의 표면에 있어서, Ni 도금층(20)에 덮여 있지 않은 나머지의 부분은 회로측 금속판(11)의 표면이 노출된 상태로 되어 있는, 즉, 회로측 금속판(11)의 상면과, 측면(11a)의 일부를 제외한 부분에는 Ni 도금층(20)이 없고, 회로측 금속판(11)의 표면이 노출된 상태로 되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 관한 절연 기판(1)에 있어서, 소정의 회로의 형상으로 된 회로측 금속판(11)의 다른 쪽 면에는, 반도체 칩 등의 전자 부품(도시하지 않음)이 납땜 등에 의해 탑재된다. 또한, 방열측 금속판(12)의 다른 쪽 면에는 열전도성이 우수한 Cu나 Al의 방열판(베이스판, 도시하지 않음)이 납땜된다. 이에 의해, 반도체 파워 모듈 등이 제작된다.
도 1에 나타내는 본 발명의 실시 형태에 관한 절연 기판(1)에 있어서는, 세라믹스 기판(10)과 회로측 금속판(11) 사이에서 노출되어 있는 납재층(13)의 단부가 Ni 도금층(20)으로 피복되어 있다.
단, 회로측의 납재층(13)은 Ni 도금으로 피복되어 있지 않아도 된다. 왜냐하면, 파워 모듈의 조립 공정에 있어서 회로측 금속판(11)에 전자 부품을 납땜할 때, 통상, 회로측의 납재층(13)에 땜납이 부착될 가능성은 낮기 때문이다.
실시예에 후술하는 바와 같이, Ni 도금의 성막에는 무전해 도금(침지 도금)을 채용하는 것이 생산성·비용면에서 우수하므로 바람직하다. 회로측 금속판(11)의 다른 쪽 주면(표면) 및 방열측 금속판(12)의 다른 쪽 주면(표면)에 Ni 도금이 피막되지 않도록 도금 레지스트를 도포한 후에, 무전해 Ni 도금을 실시한 경우에는, 각 표면이 Ni 도금으로 덮여 있지 않다는 점에서, 통로 내성 및 단자의 초음파 접합성 등 특성이 양호해진다. 이 제법을 사용한 경우에는 회로측의 납재층(13)도 Ni 도금으로 피막된다.
본 발명의 실시 형태에 관한 절연 기판(1)에 있어서는, 회로측 금속판(11) 및 방열측 금속판(12) 중 어느 것도 전체가 Ni 도금으로 덮이는 일이 없으므로, 통로 내성이 저하된다는 문제를 발생시키지 않는다. Ni 도금은 구리나 알루미늄 등의 회로측 금속판(11) 및 방열측 금속판(12)보다 경도가 높고, 또한 무전해 Ni-P 도금과 같이 칩이나 방열판의 납땜 등의 열 이력에 의해 경도가 높아지는 경우가 있다. 경도가 높은 Ni 도금은 통로 내성을 열화시키지만, 본 발명에 따르면, 절연 기판의 금속판 전체(회로측 금속판 및 방열측 금속판의 다른 쪽 주면)를 Ni 도금으로 피복한 구조가 아니기 때문에, 경도가 높은 Ni 도금에 의한 통로 내성의 저하라는 문제는 발생하지 않는다.
또한, 근년, 파워 모듈의 대전류화가 진척됨으로써, 상기 절연 기판과 파워 모듈의 구성 부품인 구리 단자(버스 바)의 접합 기술로서, 종래의 땜납 접합이나 Al와이어 본딩 접합 대신에, 구리 버스 바를 직접 절연 기판의 회로판의 표면에 초음파 접합하는 사례가 증가하고 있다. 이러한 구리 버스 바의 초음파 접합에 있어서, 회로 금속판의 표면이 Ni 도금으로 덮여 있는 경우, 구리 버스 바와 절연 기판의 (구리) 회로판의 고상 확산이 방해되어, 구리 버스 바와 절연 기판의 접합 강도가 저하될 우려가 있었다. 본 발명의 실시 형태에 관한 구조에서는, 구리 버스 바와 절연 기판의 회로 상면이 접합하는 표면에 Ni 도금층이 존재하지 않기 때문에, 구리 버스 바의 초음파 접합 시에 구리 버스 바의 구리와 회로의 구리의 고상 확산이 촉진되어, 접합 강도가 높은 단자 접합이 얻어진다.
이상에 의해, 본 발명에 따르면, 파워 모듈 조립 시의 실장성(통로 내성 및 초음파 접합성)이 우수하고, 또한 파워 모듈(방열판에 절연 기판이 납땜된 구조)에 있어서의 고온에서의 히트 사이클 특성이 우수한 절연 기판을 제공할 수 있다.
또한, 도 1에서는, 회로측의 납재층(13)의 단부와 회로측 금속판(11)의 측면(11a)의 일부를 덮도록 Ni 도금층(20)을 마련하고, 방열측의 납재층(14)의 단부와 방열측 금속판(12)의 측면(12a)의 일부를 덮도록, Ni 도금층(21)을 마련한 예를 나타냈지만, 도 2에 나타내는 바와 같이, 납재층(13, 14)의 단부에 더하여, 회로측 금속판(11), 방열측 금속판(12)의 측면(11a, 12a)의 전체를 Ni 도금층(20, 21)으로 덮도록 해도 된다. 또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 회로측 금속판(11), 방열측 금속판(12)의 측면(11a, 12a)에 더하여, 또한 회로측 금속판(11)의 상면의 일부(다른 쪽 주면의 주연부)와 방열측 금속판 동판(12)의 하면의 일부(다른 쪽 주면의 주연부)까지 Ni 도금층(20, 21)으로 덮도록 해도 된다.
본 발명의 절연 기판의 제조 방법은, 세라믹스 기판의 한쪽 주면에, 방열측 금속판의 한쪽 주면이 납재층을 통해 접합되고, 세라믹스 기판의 다른 쪽 주면에, 회로측 금속판의 한쪽 주면이 납재층을 통해 접합된 절연 기판에 있어서,
상기 방열측 금속판의 다른 쪽 주면(및 바람직하게는 상기 회로측 금속판의 다른 쪽 주면)에 도금 레지스트를 형성하고, 상기 레지스트가 형성된 절연 기판을 Ni 도금액 중에 침지시켜, 레지스트가 형성되어 있지 않은 상기 세라믹스 기판과 상기 방열측 금속판 사이(및 바람직하게는 상기 세라믹스 기판과 상기 회로측 금속판 사이)에서 노출되는 납재층에 Ni 도금층을 형성하고, 이어서 상기 레지스트를 박리하는 것을 특징으로 한다.
상기 방열측 금속판 및 상기 회로측 금속판의 측면의 일부 혹은 전부가 상기 Ni 도금층으로 덮여 있어도 되고, 상기 방열측 금속판의 다른 쪽 주면의 주위가 상기 Ni 도금층으로 덮여 있어도 된다.
상기 방열측 금속판 및 상기 회로측 금속판이, 동판 또는 구리 합금판인 것이 바람직하고, 상기 납재층이 Cu, Ag, Sn에서 선택되는 어느 하나의 금속 성분과, Ti, Hf, Zr에서 선택되는 어느 하나의 활성 금속 성분을 갖는 것이 바람직하다.
이상, 본 발명의 일 실시 형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지는 않는다. 당업자라면, 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명확하며, 이들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 이해된다.
실시예
(실시예 1)
세라믹스 기판으로서 46mm×48mm×0.4mm의 크기의 시판중인 질화알루미늄 기판을 준비하였다. 또한, 83질량％의 은 분말과 10질량％의 구리 분말과 5질량％의 주석 분말과 (활성 금속 성분으로서의) 2질량％의 티탄 분말(Ag:Cu:Sn:Ti=83:10:5:2)을 비히클에 첨가하여 혼련하여 활성 금속 함유 납재 페이스트를 제작하고, 세라믹스 기판의 양면의 전체면에, 납재 페이스트의 두께가 10㎛가 되도록 스크린 인쇄한 후, 대기 중에서 건조시켜 납재층을 형성하였다. 이어서 납재층에 46mm×48mm×0.3mm의 2매의 무산소 동판을 각각 접촉 배치하고, 진공로 중에서 850℃로 가열하여 질화알루미늄 기판의 양면에 동판을 접합하여, 질화알루미늄 기판의 한쪽 표면에 방열측 동판 형성용의 동판의 한쪽 면이 접합(형성)되고, 질화알루미늄 기판의 다른 쪽 주면에 회로 패턴 형성용의 동판의 한쪽 주면이 접합(형성)된 접합체를 얻었다.
다음으로, 접합체의 회로 패턴 형성용의 동판의 다른 쪽 주면(세라믹스 기판에 접합된 면의 반대측의 면)에 소정의 회로 패턴 형상의 자외선 경화 알칼리 박리형 레지스트를 스크린 인쇄에 의해 도포하고, 접합체의 방열측 동판 형성용의 동판의 다른 쪽 주면(세라믹스 기판에 접합된 면의 반대측의 면)의 중앙부에, 45mm×47mm의 직사각형의 형상의 자외선 경화 알칼리 박리형 레지스트를 스크린 인쇄에 의해 도포하고, 이들 레지스트에 자외선을 조사하여 경화시킨 후, 염화구리와 염산과 잔부의 물로 이루어지는 에칭액에 의해 동판의 불필요한 부분을 에칭하고, 수산화나트륨 수용액에 의해 레지스트를 제거하여 동판으로 이루어지는 회로 패턴(회로측 동판) 및 방열측 동판을 형성하였다.
다음으로, 희황산에 20초간 침지시켜 산세하고, 1.6질량％의 EDTA·4Na와 3질량％의 암모니아수(28질량％의 암모니아를 포함하는 암모니아수)와 5질량％의 과산화수소수(35질량％의 과산화수소를 포함하는 과산화수소수)를 포함하는 킬레이트 수용액에 20℃에서 20분간 침지시키고, 2질량％의 에틸렌트리아민오아세트산(DTPA)·5Na와 5질량％의 과산화수소수를 포함하는 킬레이트 수용액에 20℃에서 52분간 침지시킴으로써, 세라믹스 기판 표면의 구리 회로 패턴의 사이나 방열측 동판의 주위에 잔류하는 활성 금속 함유 납재의 불필요한 부분을 제거하여 절연 기판의 중간 제품을 얻었다.
다음으로, 14질량％의 황산과 3.2질량％의 과산화수소와 잔부의 물로 이루어지는 화학 연마액에 상기 중간 제품을 45℃에서 5분간 침지시켜 회로측 동판 및 방열측 동판의 표면을 화학 연마에 의해 제거하여, 활성 금속 함유 납재를 회로측 동판 및 방열측 동판의 측면부로부터 0.3mm 정도 비어져 나오게 하여, 소정의 형상의 회로측 동판 및 방열측 동판을 형성하는 공정을 완료시켰다.
다음으로, Ni 도금을 소정의 영역에 실시하기 위해 회로측 동판 및 방열측 동판의 주면의 전체면에 자외선 경화 알칼리 박리형 레지스트를 스크린 인쇄에 의해 도포하고, 레지스트에 자외선을 조사하여 경화시킴으로써, 각 동판의 주면만을 레지스트막에 의해 피복하였다.
다음으로, 이 레지스트막을 구비하는 접합체에 무전해 Ni-P 도금을 실시하여, 두께 4㎛의 도금 피막을 형성한 후에, 수산화나트륨 수용액에 의해 레지스트를 제거하여, 세라믹스 기판과 방열측 동판 사이에서 노출되는 납재층, 세라믹스 기판과 회로측 동판 사이에서 노출되는 납재층 및 각각의 동판의 측면이 Ni 도금층으로 피복된 금속-세라믹스 절연 기판을 얻었다. 또한, 회로측 금속판 및 방열측 금속판의 다른 쪽 주면에 Ni 도금층은 형성되어 있지 않다.
이렇게 하여 제작한 금속-세라믹스 절연 기판에 대하여, 이하와 같은 「납재 침식 평가」, 「통로 내성 평가」, 「초음파 접합성 평가」를 실시하였다.
「납재 침식 평가」
먼저, 120mm×60mm×3mm의 구리 베이스판(방열판)의 표면 중앙부에, 메탈 마스크를 사용하여 절연 기판의 외형과 동일 형상(46mm×48mm)으로 Sn-5.0Sb 플럭스가 들어 있는 페이스트 땜납(센쥬 긴조쿠 고교 가부시키가이샤제, 에코 솔더 M10)을 페이스트 두께 300㎛가 되도록 도포하였다.
다음으로, 이 페이스트 땜납 위에 전술한 금속-세라믹스 절연 기판을 탑재하고, N2 분위기 하에서 270℃까지 승온한 후, 270℃를 유지한 채 진공 배기를 3분간 실시한 후에 강온함으로써, 금속-세라믹스 절연 기판을 구리 베이스판(방열판)에 납땜하였다. 납땜 후의 땜납 두께는 약 200㎛였다.
이렇게 하여 얻은 베이스판을 구비하는 절연 기판에 대하여, 단면 관찰 시료를 제작하여 에너지-분산형 X선 분석 장치를 구비한 주사형 전자 현미경(SEM/EDS)에 의한 원소 매핑을 실시하여, 납재 침식의 발생 유무를 확인하였다. 그 결과, 본 실시예 1에서 제작한 금속-세라믹스 절연 기판에서는, 납재층을 피복하는 Ni-P 도금에 의해 절연 기판의 납재층에 땜납의 성분인 Sn 등이 납재층 측으로 확산하지 않아, 취약한 Cu-Sn 화합물이 생성되고 있지 않은(납재 침식이 일어나고 있지 않은) 것을 SEM/EDS에 의한 원소 매핑으로부터 확인할 수 있었다.
「통로 내성 평가」
다음으로 통로 내성을 평가하기 위해, 본 실시예의 금속-세라믹스 절연 기판(베이스판을 납땜하지 않은) 4개에 대하여 통로 3회(환원 분위기(수소/질소=20/80) 하에 있어서 350℃에서 10분간 가열한 후에 실온까지 냉각하는 처리를 3회 반복함)의 열 부하를 부여하였다. 통로 3회 후의 세라믹스부의 크랙 발생 유무를 광학 현미경에 의해 기판 전역에 걸쳐 검사하였다. 본 실시예의 금속-세라믹스 절연 기판은, 통로 3회 후의 크랙 발생은 없고, 높은 통로 내성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
「초음파 접합성 평가」
다음으로 초음파 접합성을 평가하기 위해, 구리 단자(초음파 접합면의 사이즈 5mm×5mm, 두께 1mm)를 초음파 접합 장치로 본 실시예의 금속-세라믹스 절연 기판에 초음파 접합한 후, 초음파 탐상상(超音波探傷像)에 의해 초음파 접합부의 접합 면적률을 평가하고, 전단 강도 측정기에 의해 전단 강도를 평가하였다. 본 실시예의 금속-세라믹스 절연의 접합 면적률은 70％ 이상, 전단 강도는 1500N 이상이며, 양호한 초음파 접합성을 나타내었다. 또한, 초음파 접합부의 단면에 SEM/EDS 관찰을 실시한 바, 구리 단자부와 절연 기판의 구리 회로부가 일체화되어 있는 것도 확인할 수 있었다.
(비교예 1)
도 4에 나타내는 바와 같이, 회로측 동판 및 방열측 동판을 형성한 후의 (부분 Ni 도금용의) 레지스트 인쇄 공정 및 무전해 Ni-P 도금 공정을 실시하지 않고, 일체의 Ni 도금층이 존재하지 않는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 비교예 1의 금속-세라믹스 절연 기판을 얻었다.
이 금속-세라믹스 절연 기판에 대하여 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 「납재 침식 평가」, 「통로 내성 평가」, 「초음파 접합성 평가」를 실시하였다.
「납재 침식 평가」
본 비교예 1에서 제작한 금속-세라믹스 절연 기판에서는, 베이스 붙임에 사용한 땜납은 방열측의 동판의 측면으로 습윤 확산되어, 세라믹스 기판과 방열측 동판 사이에서 노출된 납재층과 땜납이 접촉하고, 절연 기판의 납재층에 땜납의 성분인 Sn 등이 납재층 측으로 확산하여, 납재층에 취약한 Cu-Sn 화합물이 생성되고 있는(납재 침식이 일어나고 있는) 것을 SEM/EDS에 의한 원소 매핑으로부터 확인할 수 있었다.
「통로 내성 평가」
본 비교예 1의 금속-세라믹스 절연 기판은, 통로 3회 후의 크랙 발생은 없고, 높은 통로 내성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
「초음파 접합성 평가」
본 비교예 1의 금속-세라믹스 절연 기판은, 초음파 접합부의 접합 면적률이 70％ 이상이며, 전단 강도는 1500N 이상이며, 양호한 초음파 접합성을 나타내었다. 또한, 초음파 접합부의 단면을 SEM/EDS로 관찰한 바, 구리 단자부와 절연 기판의 구리 회로부가 일체화되어 있는 것도 확인할 수 있었다.
(비교예 2)
도 5에 나타내는 바와 같이, 회로측 동판 및 방열측 동판을 형성한 후의 (부분 Ni 도금용의) 레지스트 인쇄 공정을 실시하지 않고, 절연 기판의 회로측 동판 및 방열측 동판의 표면이 두께 4㎛의 Ni-P 도금층에 의해 피복되어 있는 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 비교예 2의 금속-세라믹스 절연 기판을 얻었다.
이 금속-세라믹스 절연 기판에 대하여 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 「납재 침식 평가」, 「통로 내성 평가」, 「초음파 접합성 평가」를 실시하였다.
「납재 침식 평가」
본 비교예 2에서 제작한 금속-세라믹스 절연 기판에서는, 납재층을 피복하는 Ni-P 도금에 의해 절연 기판의 납재층에 땜납의 성분인 Sn 등이 납재층 측으로 확산하지 않아, 취약한 Cu-Sn 화합물이 생성되고 있지 않은(납재 침식이 일어나고 있지 않은) 것을 SEM/EDS에 의한 원소 매핑으로부터 확인할 수 있었다.
「통로 내성 평가」
본 비교예 2의 금속-세라믹스 절연 기판은, 통로 3회 후에 세라믹스부에 크랙(4개중 2개)이 발생하고 있어, 통로 내성이 낮았다.
「초음파 접합성」
본 비교예의 금속-세라믹스 절연 기판은, 초음파 접합부의 접합 면적률이 50％이며, 전단 강도는 600N으로 낮고, 초음파 접합성이 불량하였다. 또한, 초음파 접합부의 단면에 SEM/EDS 관찰을 실시한 바, 구리 단자부와 절연 기판의 구리 회로부 사이에 Ni-P 도금 피막이 잔존하고 있는 개소가 있어, 구리 단자와 구리 회로부가 일체화되어 있지 않았다.
실시예 1 및 비교예 1, 2의 결과를 표 1에 통합하여 나타낸다.
Figure pct00001
절연 기판의 회로측 금속판(회로측 동판) 및 방열측 금속판(방열측 동판)의 표면의 전체면에 Ni 도금층을 형성한 경우, Ni 도금층이 납재층의 Ag와 땜납 유래의 Sn의 상호 확산을 방지하기 위해, 상기한 납재 침식은 일어나지 않는다. 그러나, 절연 기판의 회로측 금속판(회로측 동판) 및 방열측 금속판(방열측 동판)의 표면의 전체면에 Ni 도금층을 형성한 경우, 경도가 단단한 Ni 도금층이 존재함으로써, 파워 모듈 조립 시에 받는 열 부하에 대한 신뢰성(통로 내성)이 저하된다는 과제가 있다. 또한, 절연 기판의 회로 금속판(회로측 동판)의 표면에 구리 터미널 단자를 초음파 접합한다는 용도도 있고, 이 경우, 구리 터미널 단자가 접합되는 표면은 Ni 도금되어 있지 않은 구리인 것이 바람직하다.
본 발명은 예를 들어 반도체 파워 모듈 등에 이용되는 절연 기판에 이용할 수 있다.
1: 절연 기판
10: 세라믹스 기판
11: 회로측 금속판(회로측 동판)
12: 방열측 금속판(방열측 동판)
13, 14: 납재층
11a, 12a: 측면
20, 21: Ni 도금층

Claims (13)

  1. 세라믹스 기판의 한쪽 주면에, 방열측 금속판의 한쪽 주면이 납재층을 통해 경납땜된 절연 기판이며,
    상기 세라믹스 기판과 상기 방열측 금속판 사이에서 노출되는 납재층을 덮는 Ni 도금층이 마련되고,
    상기 방열측 금속판의 다른 쪽 주면의 적어도 일부가 Ni 도금층으로 덮여 있지 않고, 상기 방열측 금속판의 표면이 노출된 상태인 것을 특징으로 하는, 절연 기판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방열측 금속판의 측면의 일부 혹은 전부가 상기 Ni 도금층으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는, 절연 기판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방열측 금속판의 다른 쪽 주면의 주위가 상기 Ni 도금층으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는, 절연 기판.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판의 다른 쪽 주면에, 회로측 금속판의 한쪽 주면이 납재층을 통해 경납땜되어 있는 것을 특징으로 하는, 절연 기판.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 회로측 금속판이 동판 또는 구리 합금판인 것을 특징으로 하는, 절연 기판.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방열측 금속판이 동판 또는 구리 합금판인 것을 특징으로 하는, 절연 기판.
  7. 세라믹스 기판의 한쪽 주면에, 방열측 금속판의 한쪽 주면이 납재층을 통해 접합되고, 세라믹스 기판의 다른 쪽 주면에, 회로측 금속판의 한쪽 주면이 납재층을 통해 접합된 절연 기판에 있어서,
    상기 방열측 금속판의 다른 쪽 주면에 도금 레지스트를 형성하고,
    상기 도금 레지스트가 형성된 절연 기판을 Ni 도금액 중에 침지시켜, 상기 도금 레지스트가 형성되어 있지 않은 상기 세라믹스 기판과 상기 방열측 금속판 사이에서 노출되는 납재층에 Ni 도금층을 형성하고, 이어서 상기 도금 레지스트를 박리하는 것을 특징으로 하는, 절연 기판의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방열측 금속판의 측면의 일부 혹은 전부가 상기 Ni 도금층으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는, 절연 기판의 제조 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 방열측 금속판의 다른 쪽 주면의 주위가 상기 Ni 도금층으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는, 절연 기판의 제조 방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회로측 금속판의 다른 쪽 주면에 도금 레지스트를 형성하고, 상기 세라믹스 기판과 상기 회로측 금속판 사이에서 노출되는 납재층에 Ni 도금층을 형성하는 것을 특징으로 하는, 절연 기판의 제조 방법.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회로측 금속판의 측면의 일부 혹은 전부가 상기 Ni 도금층으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는, 절연 기판의 제조 방법.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방열측 금속판 및 상기 회로측 금속판이, 동판 또는 구리 합금판인 것을 특징으로 하는, 절연 기판의 제조 방법.
  13. 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 납재층이 Cu, Ag, Sn에서 선택되는 어느 하나의 금속 성분과, Ti, Hf, Zr에서 선택되는 어느 하나의 활성 금속 성분을 갖는 것을 특징으로 하는, 절연 기판의 제조 방법.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001024296A (ja) 1999-07-07 2001-01-26 Kyocera Corp セラミック回路基板
JP2009070863A (ja) 2007-09-11 2009-04-02 Hitachi Ltd 半導体パワーモジュール
JP2010241627A (ja) 2009-04-03 2010-10-28 Dowa Metaltech Kk 金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002009212A (ja) * 2000-06-23 2002-01-11 Denki Kagaku Kogyo Kk 放熱構造体の製造方法
JP4479531B2 (ja) * 2005-02-17 2010-06-09 日立金属株式会社 セラミックス回路基板およびそれを用いた半導体モジュール
JP5630695B2 (ja) * 2009-10-01 2014-11-26 日立金属株式会社 窒化珪素回路基板およびその製造方法
JP2011181634A (ja) * 2010-02-26 2011-09-15 Nisshin Steel Co Ltd 半導体発熱部品搭載用放熱構造体の製造法
JP2016076603A (ja) * 2014-10-07 2016-05-12 Ｄｏｗａメタルテック株式会社 金属−セラミックス回路基板およびその製造方法
CN107851617B (zh) * 2015-07-09 2021-04-30 株式会社东芝 陶瓷金属电路基板以及使用了该陶瓷金属电路基板的半导体装置
JP6799479B2 (ja) * 2017-03-03 2020-12-16 Ｄｏｗａメタルテック株式会社 金属−セラミックス回路基板の製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001024296A (ja) 1999-07-07 2001-01-26 Kyocera Corp セラミック回路基板
JP2009070863A (ja) 2007-09-11 2009-04-02 Hitachi Ltd 半導体パワーモジュール
JP2010241627A (ja) 2009-04-03 2010-10-28 Dowa Metaltech Kk 金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材

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