WO2022039441A1 - 파워모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

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brazing filler
power module
ceramic substrate
filler layer
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이지형
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Definitions

  • the present invention relates to a power module and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a power module having a bonding structure of a base plate and a ceramic substrate capable of effectively discharging heat generated from a high-output power semiconductor chip, and a method for manufacturing the same. .
  • the base plate is formed in a square plate shape and is made of aluminum or copper. Such a base plate may be used as a heat sink by being bonded to the lower surface of the ceramic substrate. Such a base plate is bonded to the lower surface of the ceramic substrate by soldering or by using a silver (Ag) paste having high thermal conductivity to be advantageous for heat dissipation.
  • a silver (Ag) paste having high thermal conductivity to be advantageous for heat dissipation.
  • the bonding area is wide, and thus warpage may occur due to a difference in thermal expansion.
  • the silver paste melts at a high operating temperature, which may cause warpage and defects of the base plate, and in the case of copper, there is a problem in that warpage occurs at a temperature of 200°C or higher.
  • the ceramic substrate and the base plate are joined with AlSiC or a similar material at a temperature of 250° C. or less.
  • FIG. 1 shows a bonding structure of a conventional base plate and a ceramic substrate.
  • the base plate 10 is soldered to the ceramic substrate 30 via a solder preform 20 .
  • the base plate 10 is made of CuMo or Ni-Au material, and the solder preform 20 uses SAC305 having a composition including Sn, Ag, and Cu, and the soldering temperature is 230 to 350°C.
  • the present invention provides brazing bonding to the upper surface of the base plate through a base plate having a concave groove formed on the upper surface, a brazing filler layer disposed in the concave groove, and a brazing filler layer as a medium. including a ceramic substrate.
  • the base plate may have a multi-layer structure.
  • the base plate may be made of at least one of Cu, Al, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu, or a composite material thereof.
  • a plurality of concave grooves may be formed.
  • the height of the concave groove is less than or equal to the thickness of the brazing filler layer.
  • the brazing filler layer may be made of an alloy material including AgCu or AgCuTi.
  • the brazing filler layer has a thickness of 5 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the ceramic substrate includes a ceramic substrate and a metal layer formed on the upper and lower surfaces of the ceramic substrate, and the metal layer may be made of one of Cu, Cu alloy, OFC, EPT Cu, and Al.
  • It includes a base plate, a brazing filler layer disposed on the upper surface of the base plate, and a ceramic substrate that is brazed to the upper surface of the base plate via the brazing filler layer, and a plurality of brazing filler layers are dividedly disposed on the upper surface of the base plate.
  • the plurality of brazing filler layers may be dividedly arranged in any one of a 2 ⁇ 1 array, a 2 ⁇ 2 array, or a 4 ⁇ 4 array, and the divided areas may be the same.
  • a plurality of brazing filler layers may be arranged in a matrix on the upper surface of the base plate and spaced apart from each other by a predetermined distance.
  • the plurality of brazing filler layers have a volume in the range of 85 to 115% of the volume of the metal layer on the lower surface of the ceramic substrate.
  • the base plate has a concave groove formed on its upper surface in which a plurality of brazing filler layers are disposed.
  • the brazing filler layer may be made of an alloy material including AgCu or AgCuTi.
  • the brazing filler layer has a thickness of 5 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the base plate may be made of at least one of Cu, Al, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu, or a composite material thereof.
  • Preparing a base plate having a concave groove formed on the upper surface, preparing a ceramic substrate, arranging a brazing filler layer in the concave groove, and laminating and brazing a ceramic substrate on the upper surface of the base plate on which the brazing filler layer is disposed includes
  • the concave groove may be formed by half-etching the base plate.
  • a brazing filler layer having a thickness of 5 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less is disposed in the concave groove by any one of paste application, foil attachment, and P-filer.
  • the brazing step is carried out at 780 ⁇ 900 °C, and the upper weight or pressurization is carried out during brazing.
  • the present invention increases bonding strength in brazing bonding of a base plate to a ceramic substrate, and does not require vacuum bonding equipment like the use of solder preform, so process simplification is possible, and pore defects are prevented from carrying out upper weight or pressurization. Since the bonding strength is higher, there is an effect of increasing the bonding reliability.
  • the present invention solves the conventional soldering bonding problem and enables reliable bonding to various base plates, and furthermore, bonding of a ceramic substrate and a base plate without bending by using a bending control method according to the coefficient of thermal expansion for various materials is possible. There is a possible effect.
  • the present invention applies a base plate of a multi-layer structure in which dissimilar materials are bonded to secure a thickness advantageous for heat dissipation and is manufactured to have a low coefficient of thermal expansion.
  • the brazing filler layer of the present invention has the effect of maximizing the heat dissipation effect because the heat of the ceramic substrate is quickly moved to the base plate by facilitating the movement of heat.
  • 1 is a bonding structure of a conventional base plate and a ceramic substrate.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a bonding structure of a base plate for a power module and a ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing a bonding structure of a base plate for a power module and a ceramic substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a bonding structure of a base plate for a power module and a ceramic substrate according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a bonding structure of a base plate for a power module and a ceramic substrate according to another embodiment of the present invention.
  • 6 to 8 are plan views showing a brazing filler layer disposed on a base plate for a power module according to another embodiment of the present invention.
  • base plate 101 concave groove
  • brazing filler layer 200a Ti layer
  • first metal sheet 120 second metal sheet
  • the present invention is characterized in the bonding structure of the base plate and the ceramic substrate among the components included in the power module, it will be mainly described.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a bonding structure of a base plate for a power module and a ceramic substrate according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing a bonding structure of a base plate for a power module and a ceramic substrate according to an embodiment of the present invention It is a cross section.
  • the present invention includes a base plate 100 , a brazing filler layer 200 , and a ceramic substrate 300 .
  • a high-output power semiconductor chip is positioned between two ceramic substrates disposed vertically.
  • the two ceramic substrates include a ceramic substrate and a metal layer brazed to at least one surface of the ceramic substrate to increase heat dissipation efficiency of the semiconductor chip.
  • the semiconductor chip may be a Si or SiC or GaN semiconductor chip.
  • the ceramic substrate 310 may be, for example, any one of alumina (Al 2 O 3 ), AlN, SiN, and Si 3 N 4 , and the metal layers 320 and 330 may be formed of Cu, Cu alloy, OFC, EPT Cu, or Al. It can be made as one example as an example. OFC is anaerobic copper.
  • the base plate 100 is bonded to the lower surface of the lowermost ceramic substrate 300 and is used as a heat sink for dissipating heat generated from the semiconductor chip.
  • the base plate 100 may be formed in a rectangular plate shape having a predetermined thickness.
  • the base plate 100 is formed of a material capable of increasing heat dissipation efficiency.
  • the base plate 100 may be made of at least one of Cu, Al, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu, or a composite material thereof.
  • the base plate 100 is formed with a concave groove 101 concave downward on the upper surface.
  • the concave groove 101 is for arranging the brazing filler layer 200 to increase bonding characteristics between the base plate 100 and the ceramic substrate 300 .
  • the concave groove 101 is formed in a predetermined area of the upper surface of the base plate 100 .
  • a plurality of concave grooves 101 are formed. In the embodiment, two concave grooves 101 are formed in a predetermined area on the upper surface of the base plate 100 .
  • a brazing filler layer 200 is disposed in the concave groove 101 of the base plate 100 .
  • the brazing filler layer 200 is for securing bonding characteristics between the base plate 100 and the ceramic substrate 300 .
  • the base plate 100 and the ceramic substrate 300 may be soldered together, voids are generated due to the occurrence of warpage at a high temperature in the soldering bonding, and thus bonding reliability is low.
  • the brazing filler layer 200 has a thickness of 5 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the brazing filler layer 200 may be formed as a thin film having a multilayer structure.
  • the multi-layered thin film is intended to improve bonding strength by supplementing insufficient performance.
  • the brazing filler layer 200 may be made of an alloy material including at least one of Ag, Cu, AgCu, and AgCuTi.
  • Ag and Cu have high thermal conductivity, so they serve to increase bonding strength and at the same time facilitate heat transfer between the ceramic substrate 300 and the base plate 100 to increase heat dissipation efficiency.
  • Ti has good wettability and facilitates adhesion of Ag and Cu to the base plate 100 .
  • the brazing filler layer 200 may have a two-layer structure including an Ag layer and a Cu layer formed on the Ag layer.
  • the brazing filler layer 200 may have a three-layer structure including a Ti layer 200a, an Ag layer 200b formed on the Ti layer 200a, and a Cu layer 200c formed on the Ag layer 200b. there is.
  • the height of the concave groove 101 in which the brazing filler layer 200 is disposed is equal to or smaller than the thickness of the brazing filler layer 200 .
  • the brazing filler layer 200 enables bonding of the base plate 100 and the ceramic substrate 300 .
  • the brazing filler layer 200 is used for bonding the base plate 100 and the ceramic substrate 300 , and the boundary may become vague after brazing bonding.
  • the concave groove 101 is formed in a predetermined area of the upper surface of the base plate 100 , and the brazing filler layer 200 is disposed in the concave groove 101 , and then the base plate 100 and the ceramic substrate 300 are formed. ) to braze the liver.
  • the base plate 100 and the ceramic substrate 300 may be brazed together.
  • brazing bonding between the base plate 100 and the ceramic substrate 300 is better by increasing the contact area.
  • the bonding method of the base plate and the ceramic substrate includes the steps of preparing the base plate 100 having the concave groove 101 formed on the upper surface, preparing the ceramic substrate 300 , and the concave groove The steps of disposing the brazing filler layer 200 on 101 and laminating and brazing the ceramic substrate 300 on the upper surface of the base plate 100 on which the brazing filler layer 200 is disposed are included.
  • the concave groove 101 is formed by half-etching the base plate 100 .
  • a plate made of at least one of Cu, Al, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu or a composite material thereof is prepared.
  • the base plate 100 is made of at least one of AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu, or a composite material thereof.
  • AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, and Cu/W/Cu materials have a lower coefficient of thermal expansion compared to Cu and Al, so it is possible to prevent warping caused by the difference in coefficient of thermal expansion at high temperatures. .
  • the thickness of the base plate 100 may be in the range of 1.0 mm to 3.0.
  • the thickness of the base plate 100 is 2.0 mm or more, which is advantageous for heat dissipation and prevents the occurrence of warpage.
  • the ceramic substrate 300 including the ceramic substrate 310 and the metal layers 320 and 330 brazed to at least one surface of the ceramic substrate 310 is prepared.
  • the ceramic substrate any one of an AMB substrate, a DBC substrate, a TPC substrate, and a DBA substrate may be prepared.
  • the step of arranging the brazing filler layer in the concave groove is a brazing filler layer having a thickness of 5 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less in the concave groove 101 by any one of paste application, foil attachment, and P-fserverr ( 200) is placed.
  • the brazing filler layer 200 may be formed of an alloy material including AgCu or AgCuTi.
  • the brazing step may be performed at 450° C. or higher, preferably 780 to 900° C., and upper weight or pressure may be applied to increase bonding strength during brazing.
  • the second metal sheet 120 is disposed on the upper surface of the first metal sheet 110 formed with the brazing filler layer p, and then the brazing filler layer p is formed.
  • a laminate of first to third metal sheets 110 , 120 , 130 in which the third metal sheet 130 is disposed on the upper surface of the second metal sheet 120 is prepared, and the laminate is prepared by using an upper pressing jig and a lower pressing jig in a brazing furnace. It is placed in between and pressed from the upper and lower surfaces of the laminate during heating.
  • the laminate is placed in a brazing furnace and a weight is placed on the upper surface of the laminate and pressed from the top.
  • performing upper weight or pressure is for bonding without voids.
  • the brazing furnace controls the heating temperature to 780° C. or higher, preferably in the range of 780 to 900° C. to achieve an efficient brazing process.
  • the preferred brazing temperature is 870°C.
  • brazing bonding does not require vacuum bonding equipment like the use of solder preform, process simplification is possible, pore defects are prevented from performing upper weight or pressurization, and bonding strength is increased, so it has high bonding reliability.
  • the base plate 100 is integrated with the metal layer 320 of the ceramic substrate 300 .
  • the base plate 100 has a single-layer structure.
  • the base plate may have a multi-layered structure to have a low coefficient of thermal expansion (Low CTE).
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a bonding structure of a base plate for a power module and a ceramic substrate according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a bonding structure of a base plate for a power module and a ceramic substrate according to another embodiment of the present invention.
  • the base plate 100 may be formed in a stacked structure of three or more layers to have a thickness of 1.0 mm or more.
  • the base plate 100 may be formed in a multi-layer structure by stacking metal sheets of different materials and have a thickness of 1.0 mm or more, which is advantageous for heat dissipation and prevents the occurrence of warpage.
  • the base plate 100 includes a first metal sheet 110 , a second metal sheet 120 , and a third metal sheet 130 . It may have a three-layer structure in which the second metal sheet 120 is formed on the upper surface of the first metal sheet 110 and the third metal sheet 130 is formed on the upper surface of the second metal sheet 120 .
  • the first metal sheet 110 and the third metal sheet 130 are made of the same metal material, and the second metal sheet 120 has a different metal material from the first metal sheet 110 and the third metal sheet 130 .
  • the second metal sheet 120 is formed of a metal material having a low coefficient of thermal expansion
  • the first metal sheet 110 and the third metal sheet 130 are formed of a metal material having excellent thermal conductivity.
  • the first metal sheet 110 may be made of a Cu metal sheet
  • the second metal sheet 120 may be made of a CuMo metal sheet
  • the third metal sheet 130 may be made of a Cu metal sheet.
  • the first metal sheet 110 may be formed of a Cu material sheet
  • the second metal sheet 120 may be formed of a Mo material sheet
  • the third metal sheet 130 may be formed of a Cu material metal sheet.
  • the first metal sheet 110 may be formed of a Cu material sheet
  • the second metal sheet 120 may be formed of a W material metal sheet
  • the third metal sheet 130 may be formed of a Cu material metal sheet.
  • the first metal sheet 110 is made of a Cu metal sheet
  • the second metal sheet 120 is made of a CuMo metal sheet
  • the third metal sheet 130 is made of a Cu metal sheet Cu/CuMo/
  • CuMo is for preventing warpage with a low coefficient of thermal expansion
  • Cu is for securing thermal conductivity for heat dissipation.
  • the base plate 100 ' is formed in a three-layer metal sheet structure in which a Cu material metal sheet having a relatively high thermal expansion coefficient but a high thermal conductivity is bonded to the upper surface and the lower surface of a CuMo material sheet having a relatively low thermal expansion coefficient.
  • the CuMo metal sheet absorbs the curvature of the Cu metal sheet, so that the warpage that is increased due to the difference in the coefficient of thermal expansion at high temperature can be reduced.
  • the base plate 100' may be formed in a three-layer structure of Cu/CuMo/Cu by infiltrating a CuMo metal sheet into the molten metal, coating the Cu layer on the upper and lower surfaces of the CuMo metal sheet, and then rolling.
  • the second metal sheet 120 is bonded to the top surface of the first metal sheet 110
  • the third metal sheet 120 is bonded to the top surface of the second metal sheet 120 . It may have a three-layer structure in which the metal sheet 130 is bonded.When the first metal sheet 110, the second metal sheet 120, and the third metal sheet 130 are bonded to form a multilayer structure, the It is possible to manufacture the base plate 100" of a desired thickness without a critical point.
  • the base plate 100 ′′ has a second metal sheet 120 brazed to the upper surface of the first metal sheet 110 via a brazing filler layer 200 , and a brazing filler on the upper surface of the second metal sheet 120 .
  • the third metal sheet 130 may be a three-layer laminated structure in which the layer 200 is brazed as a medium.
  • the brazing filler layer 200 may be made of an alloy material including AgCu or AgCuTi.
  • the brazing filler layer 200 may have a two-layer structure including an Ag layer and a Cu layer formed on the Ag layer.
  • the brazing filler layer 200 may have a three-layer structure including a Ti layer 200a, an Ag layer 200b formed on the Ti layer 200a, and a Cu layer 200c formed on the Ag layer 200b. there is.
  • a base plate having a thickness of 2.0 mm or more (100 ") can be manufactured.
  • the base plate 100" When the base plate 100" was formed of a three-layer bonded metal sheet structure of Cu/CuMo/Cu or formed of AlSiC, it showed the best bonding characteristics in bonding to the ceramic substrate 300, and the coefficient of thermal expansion was 6.8 to 12 ppm. /K, the thermal conductivity had a thermal characteristic of 220 ⁇ 280W/mK.
  • the base plate is brazed at the same time as the ceramic substrate at a high temperature, the bonding reliability is increased, the process can be simplified, and it can contribute to the reduction of the process cost.
  • brazing bonding does not require vacuum bonding equipment, etc. like the use of conventional solder preforms, process simplification is possible, pore defects are prevented from performing upper weight or pressurization, and bonding strength is increased, so bonding reliability can be improved.
  • the base plate can prevent warpage at high temperatures by lowering the coefficient of thermal expansion, and has excellent thermal conductivity to satisfy high heat dissipation conditions required by the power module.
  • the brazing filler layer disposed on the upper surface of the base plate may be disposed in a pattern division form.
  • 6 to 8 are plan views showing the brazing filler layer disposed on the base plate according to another embodiment of the present invention.
  • a plurality of brazing filler layers 200 may be dividedly disposed on the upper surface of the base plate 100 .
  • the plurality of brazing filler layers may be dividedly arranged in any one of a 2 ⁇ 1 array, a 2 ⁇ 2 array (see FIG. 6 ), or a 4 ⁇ 4 array (see FIGS. 7 and 8 ).
  • the divided areas of the plurality of brazing filler layers 200 are the same so as to provide a uniform bonding area.
  • the plurality of brazing filler layers 200 are preferably arranged in a matrix on the upper surface of the base plate 100 and spaced apart from each other by a predetermined distance.
  • the plurality of brazing filler layers 200 have a volume in the range of 85 to 115% of the volume of the metal layer 320 on the lower surface of the ceramic substrate (reference numeral 300 in FIG. 3 ).
  • the volume of the brazing filler layer 200 means the bonding area x the height.
  • the base plate 100 is formed with a concave groove 101 in which the plurality of brazing filler layers 200 are seated. If the concave groove 101 is formed in a split pattern on the upper surface of the base plate 100 and the brazing filler layer 200 is disposed in the concave groove 101, uniform arrangement of the brazing filler layer 200 is easy and bonding strength is improved. do.
  • the amount of change in warpage of the base plate 100 may be calculated in advance by calculating the coefficient of thermal expansion and the bonding area or volume of the base plate 100 , and then the pattern may be designed.
  • the area ratio or volume portion of the metal layer 320 of the ceramic substrate 300 is calculated to calculate the bonding area and volume of the base plate 100 to be bonded, and in the range of 85 to 115% of the base plate 100
  • the division pattern of the brazing filler layer 200 in which warpage does not occur can be designed.
  • the base plate 100 may be made of at least one of Cu, Al, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu, or a composite material thereof to control the amount of change in warpage. .
  • the bonding method of the base plate and the ceramic substrate is a base plate 100 having a plurality of concave grooves 101 divided and arranged on the upper surface. preparing the ceramic substrate 300, arranging the brazing filler layer 200 in the plurality of concave grooves 101, and the upper surface of the base plate 100 on which the brazing filler layer 200 is disposed Laminating and brazing the ceramic substrate 300 on the.
  • the concave groove 101 is formed by half-etching the base plate 100 .
  • the plurality of concave grooves 101 by any one of paste application, foil attachment, and P-fver having a thickness of 5 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less A brazing filler layer 200 is disposed.
  • the brazing filler layer 200 is formed of an alloy material including AgCu or AgCuTi.
  • the brazing step is carried out at 780 ⁇ 900 °C, and the upper weight or pressurization is carried out during brazing.
  • the base plate is brazed at the same time as the ceramic substrate at a high temperature, the bonding reliability is increased, the process simplification is possible, and it can contribute to the reduction of the process cost.
  • brazing bonding does not require vacuum bonding equipment, etc. like the use of conventional solder preforms, process simplification is possible, pore defects are prevented from performing upper weight or pressurization, and bonding strength is increased, so bonding reliability can be improved.
  • the base plate can prevent warpage at high temperatures by lowering the coefficient of thermal expansion, and has excellent thermal conductivity to satisfy high heat dissipation conditions required by the power module.

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Abstract

본 발명은 파워모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상면에 요입홈(101)이 형성된 베이스 플레이트(100)와 상기 요입홈(101)에 배치되는 브레이징 필러층(200)과 상기 브레이징 필러층(200)을 매개로 상기 베이스 플레이트(100)의 상면에 브레이징 접합되는 세라믹기판(300)을 포함한다. 본 발명은 기존 솔더링 접합 문제를 해결하며 다양한 베이스 플레이트에 대한 신뢰성 있는 접합이 가능하고 공정 단순화가 가능한 이점이 있다.

Description

파워모듈 및 그 제조방법
본 발명은 파워모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고출력 전력 반도체 칩에서 발생하는 열을 효과적으로 배출할 수 있는 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 갖는 파워모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 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 접합되거나 열전도도가 높은 은(Ag) 페이스트 등을 이용하여 접합된다.
그런데, 베이스 플레이트 및 세라믹기판이 대면적인 경우, 접합 면적이 넓어 열팽창의 차이로 인한 휨이 발생할 수 있다. 또한 높은 작동온도에서 은 페이스트가 녹아 베이스 플레이트의 휨, 결함 등이 유발될 수 있고, 구리의 경우 200℃ 이상의 온도에서 휨이 발생하는 문제가 있다.
이에 대한 해결 방안으로 AlSiC 또는 이와 유사한 재료로 250℃ 이하의 온도에서 세라믹기판과 베이스 플레이트를 접합한다.
도 1은 종래의 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바에 의하면, 베이스 플레이트(10)는 솔더프리폼(Solder Preform)(20)을 매개로 세라믹기판(30)에 솔더링 접합된다. 베이스 플레이트(10)는 CuMo 또는 Ni-Au 재질로 이루어지며, 솔더프리폼(20)은 Sn, Ag, Cu를 포함하는 조성으로 이루어지는 SAC305를 사용하며, 솔더링 온도는 230~350℃이다.
그런데, 도 1에 도시된 종래의 베이스 플레이트(10)와 세라믹기판(30)의 접합 구조는 접합에 사용되는 솔더 페이스트와 솔더프리폼, 진공접합설비 등의 공정으로 인해 공정 비용이 상승하며, 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 파워모듈 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 상면에 요입홈이 형성된 베이스 플레이트와 요입홈에 배치되는 브레이징 필러층과 브레이징 필러층을 매개로 베이스 플레이트의 상면에 브레이징 접합되는 세라믹기판을 포함한다.
베이스 플레이트는 다층 구조로 이루어질 수 있다.
베이스 플레이트는 Cu, Al, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu 중 적어도 하나 또는 이들의 복합소재로 이루어질 수 있다.
요입홈은 복수 개가 형성될 수 있다.
요입홈의 높이는 브레이징 필러층의 두께에 비해 작거나 같다.
브레이징 필러층은 AgCu 또는 AgCuTi를 포함하는 합금재료로 이루어질 수 있다.
브레이징 필러층은 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 두께를 가진다.
세라믹기판은 세라믹기재와 세라믹기재의 상면과 하면에 형성된 금속층을 포함하고, 금속층은 Cu, Cu합금, OFC, EPT Cu, Al 중 하나로 이루어질 수 있다.
베이스 플레이트와 베이스 플레이트의 상면에 배치되는 브레이징 필러층과 브레이징 필러층을 매개로 베이스 플레이트의 상면에 브레이징 접합되는 세라믹기판을 포함하고, 브레이징 필러층은 베이스 플레이트의 상면에 복수 개가 분할 배치된다.
복수 개의 브레이징 필러층은 2×1 배열 또는 2×2 배열 또는 4×4 배열 중 어느 하나의 형태로 분할 배치되고 분할된 면적이 동일할 수 있다.
복수 개의 브레이징 필러층은 베이스 플레이트의 상면에 행렬 배치되고 일정 거리 이격될 수 있다.
복수 개의 브레이징 필러층은 세라믹기판의 하면의 금속층의 부피 대비 85~115% 범위의 부피를 갖는다.
베이스 플레이트는 상면에 복수 개의 브레이징 필러층이 배치되는 요입홈이 형성된다.
브레이징 필러층은 AgCu 또는 AgCuTi를 포함하는 합금재료로 이루어질 수 있다.
브레이징 필러층은 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 두께를 가진다.
베이스 플레이트는 Cu, Al, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu 중 적어도 하나 또는 이들의 복합소재로 이루어질 수 있다.
상면에 요입홈이 형성된 베이스 플레이트를 준비하는 단계와 세라믹기판을 준비하는 단계와 요입홈에 브레이징 필러층을 배치하는 단계와 브레이징 필러층이 배치된 베이스 플레이트의 상면에 세라믹기판을 적층하고 브레이징하는 단계를 포함한다.
상면에 요입홈이 형성된 베이스 플레이트를 준비하는 단계에서, 요입홈은 베이스 플레이트를 하프 에칭하여 형성할 수 있다.
요입홈에 브레이징 필러층을 배치하는 단계에서, 페이스트 도포, 포일(foil) 부착, P-fiiler 중 어느 하나의 방법으로 요입홈에 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 두께를 갖는 브레이징 필러층을 배치한다.
브레이징하는 단계는 780~900℃에서 수행하고, 브레이징 중에 상부 중량 또는 가압을 실시한다.
상면에 분할 배치된 복수 개의 요입홈이 형성된 베이스 플레이트를 준비하는 단계와 세라믹기판을 준비하는 단계와 복수 개의 요입홈에 브레이징 필러층을 배치하는 단계와 브레이징 필러층이 배치된 상기 베이스 플레이트의 상면에 세라믹기판을 적층하고 브레이징하는 단계를 포함한다.
본 발명은 베이스 플레이트를 세라믹기판에 브레이징 접합하는 것에서 접합강도가 높아지고, 솔더프리폼의 사용처럼 진공접합설비 등을 요구하지 않으므로 공정단순화가 가능하고, 상부 중량 또는 가압을 실시하는 것에서 기공 결함이 방지되고 접합강도가 더 높아지므로 접합 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
따라서, 본 발명은 기존 솔더링 접합 문제를 해결하며 다양한 베이스 플레이트에 대한 신뢰성 있는 접합이 가능하고, 더 나아가 다양한 재질 별 열팽창 계수에 따른 휨 제어 방식을 이용하여 휨이 없는 세라믹기판과 베이스 플레이트의 접합이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 이종 재질을 접합한 다층 구조의 베이스 플레이트를 적용하여, 방열에 유리한 두께를 확보할 수 있고 저열팽창 계수를 가지도록 제조하여 대면적 적용시 고온에서 휨 발생이 방지될 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 브레이징 필러층은 열의 이동을 용이하게 하여 세라믹기판의 열을 베이스 플레이트로 빠르게 이동하므로 방열 효과를 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 파워모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 파워모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 단면도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 파워모듈용 베이스 플레이트에 배치된 브레이징 필러층을 보인 평면도이다.
* 부호의 설명 *
100: 베이스 플레이트 101: 요입홈
200: 브레이징 필러층 200a: Ti층
200b: Ag층 200c: Cu층
300: 세라믹기판 310: 세라믹기재
320,330: 금속층 100': 베이스 플레이트
110: 제1 금속시트 120: 제2 금속시트
130: 제3 금속시트 p: 브레이징 필러층
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 2는 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 파워모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 단면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바에 의하면, 본 발명은 베이스 플레이트(100), 브레이징 필러층(200) 및 세라믹기판(300)을 포함한다.
파워모듈은 상하 배치되는 두 개의 세라믹기판의 사이에 고출력 전력 반도체 칩이 위치된다. 두 개의 세라믹기판은 반도체 칩으로부터 발생하는 열의 방열 효율을 높일 수 있도록, 세라믹기재와 세라믹기재의 적어도 일면에 브레이징 접합된 금속층을 포함한다. 반도체 칩은 Si 또는 SiC 또는 GaN 반도체 칩일 수 있다. 세라믹기재(310)는 알루미나(Al2O3), AlN, SiN, Si3N4 중 어느 하나인 것을 일 예로 할 수 있고, 금속층(320,330)은 Cu, Cu합금, OFC, EPT Cu, Al 중 하나로 이루어지는 것을 일 예로 할 수 있다. OFC는 무산소동이다.
베이스 플레이트(100)는 최하위 세라믹기판(300)의 하면에 접합되어 반도체 칩에서 발생하는 열을 방열하는 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, 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 접합시 휨 발생이 방지되도록 한다.
베이스 플레이트(100)는 상면에 하방으로 요입된 요입홈(101)이 형성된다. 요입홈(101)은 브레이징 필러층(200)을 배치하여 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)의 접합 특성을 높이기 위한 것이다. 요입홈(101)은 베이스 플레이트(100)의 상면의 소정 영역에 형성된다. 요입홈(101)은 복수 개가 형성된다. 실시예에서 요입홈(101)은 베이스 플레이트(100)의 상면에 2개가 소정 영역으로 형성된다.
베이스 플레이트(100)의 요입홈(101)에 브레이징 필러층(200)이 배치된다. 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, AgCuTi 중 적어도 하나를 포함하는 합금재료로 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)이 배치되는 요입홈(101)의 높이는 브레이징 필러층(200)의 두께에 비해 작거나 같다. 요입홈(101)의 높이가 브레이징 필러층(200)의 두께에 비해 작거나 같아야 브레이징 필러층(200)이 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)의 접합을 가능하게 한다.
브레이징 필러층(200)은 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300)의 접합에 사용되며, 브레이징 접합 후 그 경계가 모호하게 될 수 있다.
실시예는 베이스 플레이트(100)의 상면의 소정 영역에 요입홈(101)을 형성하고, 요입홈(101)에 브레이징 필러층(200)을 배치한 후, 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300) 간을 브레이징 접합한다. 그러나 베이스 플레이트(100)의 상면에 요입홈(101)을 형성하지 않고 브레이징 필러층(200)을 배치한 후, 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300) 간을 브레이징 접합할 수도 있다. 그러나, 베이스 플레이트(100)의 상면에 요입홈(101)을 형성하고 요입홈(101)에 브레이징 필러층(200)을 배치한 후, 베이스 플레이트(100)와 세라믹기판(300) 간을 브레이징 접합하는 경우 접촉 면적 증가로 접합력이 더 우수하다.
한편, 파워모듈 제조방법으로서, 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 방법은 상면에 요입홈(101)이 형성된 베이스 플레이트(100)를 준비하는 단계와, 세라믹기판(300)을 준비하는 단계와, 요입홈(101)에 브레이징 필러층(200)을 배치하는 단계와, 브레이징 필러층(200)이 배치된 베이스 플레이트(100)의 상면에 세라믹기판(300)을 적층하고 브레이징하는 단계를 포함한다.
상면에 요입홈이 형성된 베이스 플레이트를 준비하는 단계에서, 요입홈(101)은 베이스 플레이트(100)를 하프 에칭하여 형성한다. 베이스 플레이트(100)는 Cu, Al, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu 중 적어도 하나 또는 이들의 복합소재로 이루어지는 플레이트를 준비한다. 바람직하게는 베이스 플레이트(100)는 AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu 중 적어도 하나 또는 이들의 복합소재로 이루어지는 플레이트를 준비한다. 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 방지할 수 있다.
베이스 플레이트(100)의 두께는 1.0mm~3.0 범위일 수 있다. 바람직하게는 베이스 플레이트(100)의 두께는 2.0mm 이상으로 되어 방열에 유리하고 휨 발생이 방지되도록 할 수 있다.
세라믹기판을 준비하는 단계는, 세라믹기재(310)와 세라믹기재(310)의 적어도 일면에 브레이징 접합된 금속층(320,330)을 포함하는 세라믹기판(300)을 준비한다. 일 예로, 세라믹기판은 AMB 기판, DBC 기판, TPC 기판, DBA 기판 중 어느 하나를 준비할 수 있다.
요입홈에 브레이징 필러층을 배치하는 단계는, 페이스트 도포, 포일(foil) 부착, P-fiiler 중 어느 하나의 방법으로 요입홈(101)에 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 두께를 갖는 브레이징 필러층(200)을 배치한다.
브레이징 필러층(200)은 AgCu 또는 AgCuTi를 포함하는 합금재료로 형성할 수 있다.
브레이징하는 단계는 450℃ 이상, 바람직하게는 780~900℃에서 수행하고, 브레이징 중에 접합력을 높이기 위해 상부 중량 또는 가압을 실시할 수 있다.
일 예로, 브레이징 접합하는 단계는, 브레이징 필러층(p)이 형성한 제1 금속시트(110)의 상면에 제2 금속시트(120)를 배치하고, 다음으로 브레이징 필러층(p)을 형성한 제2 금속시트(120)의 상면에 제3 금속시트(130)를 배치한 제1 내지 제3 금속시트(110,120,130)의 적층체를 준비하고, 적층체를 브레이징로 내의 상부 가압지그와 하부 가압지그 사이에 배치하고 가열 중에 적층체의 상하면에서 가압하는 것이다.
또는 적층체를 브레이징로 내에 배치하고 적층체의 상면에 중량체를 배치하여 상부에서 가압하는 것이다. 브레징 접합하는 단계에서 상부 중량 또는 가압을 실시하는 것은 보이드(Void)가 없는 접합을 위한 것이다.
브레이징로는 가열 온도를 780℃ 이상, 바람직하게는 780~900℃ 범위로 제어하여 효율적인 브레이징 공정이 이루어지도록 한다. 일 예로, 바람직한 브레이징 온도는 870℃이다.
브레이징 접합은 솔더프리폼의 사용처럼 진공접합설비 등을 요구하지 않으므로 공정단순화가 가능하고, 상부 중량 또는 가압을 실시하는 것에서 기공 결함이 방지되고 접합강도가 높아지므로 높은 접합 신뢰성을 갖는다.
브레이징하는 단계 후, 베이스 플레이트(100)는 세라믹기판(300)의 금속층(320)과 일체화된다.
전술한 실시예는 베이스 플레이트(100)가 단층 구조로 이루어진다. 그러나 베이스 플레이트는 저열팽창 계수(Low CTE)를 가지도록 다층 구조로 이루어질 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 파워모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 단면도이고, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 파워모듈용 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 구조를 보인 단면도이다. 다른 실시예와 또 다른 실시예는 전술한 실시예와 대비하여 베이스 플레이트가 다층 구조로 이루어지는 것에 차이가 있다.
도 4에 도시된 바에 의하면, 베이스 플레이트(100)는 3층 이상의 적층 구조로 형성하여 두께가 1.0mm 이상이 되도록 할 수 있다. 일 예로, 베이스 플레이트(100)는 이종 재질의 금속시트를 적층하여 다층 구조로 형성하고 두께가 1.0mm 이상이 되도록 하여 방열에 유리하고 휨 발생이 방지되도록 할 수 있다.
베이스 플레이트(100)는 제1 금속시트(110), 제2 금속시트(120) 및 제3 금속시트(130)를 포함한다. 제1 금속시트(110)의 상면에 제2 금속시트(120)가 형성되고, 제2 금속시트(120)의 상면에 제3 금속시트(130)가 형성된 3층 구조로 될 수 있다.
제1 금속시트(110)와 제3 금속시트(130)는 동일 금속재질로 형성되고, 제2 금속시트(120)는 제1 금속시트(110) 및 제3 금속시트(130)와 다른 금속재질로 형성된다. 제2 금속시트(120)는 열팽창 계수가 낮은 금속재질로 형성되고, 제1 금속시트(110) 및 제3 금속시트(130)는 열전도도가 우수한 금속재질로 형성됨이 바람직하다. 열팽창 계수가 낮은 금속재질의 제2 금속시트(120)의 상면과 하면에 열전도도가 우수한 금속재질의 제1 금속시트(110)와 제3 금속시트(130)를 접합하여 저열팽창 계수를 가지는 베이스 플레이트를 제조할 수 있다.
일 예로, 제1 금속시트(110)는 Cu 재질 금속시트로 이루어지고, 제2 금속시트(120)는 CuMo 재질 금속시트로 이루어지며, 제3 금속시트(130)는 Cu 재질 금속시트로 이루어질 수 있다. 또는 제1 금속시트(110)는 Cu 재질 금속시트로 이루어지고, 제2 금속시트(120)는 Mo 재질 금속시트로 이루어지고, 제3 금속시트(130)는 Cu 재질 금속시트로 이루어질 수 있다. 또는 제1 금속시트(110)는 Cu 재질 금속시트로 이루어지고, 제2 금속시트(120)는 W 재질 금속시트로 이루어지고, 제3 금속시트(130)는 Cu 재질 금속시트로 이루어질 수 있다.
제1 금속시트(110)가 Cu 재질 금속시트로 이루어지고, 제2 금속시트(120)가 CuMo 재질 금속시트로 이루어지고, 제3 금속시트(130)가 Cu 재질 금속시트로 이루어지는 Cu/CuMo/Cu의 3층 금속시트 구조로 형성되는 베이스 플레이트(100')에서 CuMo는 낮은 열팽창 계수로 휨 발생 방지를 위한 것이고, Cu는 방열을 위한 열전도도 확보를 위한 것이다.
즉, 베이스 플레이트(100')는 열팽창 계수가 상대적으로 낮은 CuMo 재질 금속시트의 상면과 하면에 열팽창 계수는 상대적으로 높으나 열전도도가 높은 Cu 재질 금속시트를 접합한 3층 금속시트 구조로 형성하여, Cu 재질 금속시트의 휨을 CuMo 재질 금속시트가 흡수하여 고온에서 열팽창 계수의 차이로 늘어나는 휨 현상을 줄일 수 있도록 한다.
베이스 플레이트(100')는 CuMo 재질 금속시트를 용탕에 침투시켜 CuMo 재질 금속시트의 상면과 하면에 Cu층을 코팅한 다음, 압연하여 Cu/CuMo/Cu의 3층 구조로 형성할 수 있다.
또는, 도 5에 도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(100")는 제1 금속시트(110)의 상면에 제2 금속시트(120)가 접합되고, 제2 금속시트(120)의 상면에 제3 금속시트(130)가 접합된 3층 구조로 될 수 있다. 제1 금속시트(110), 제2 금속시트(120) 및 제3 금속시트(130)를 접합하여 다층 구조로 형성하면 두께에 대한 임계점이 없이 원하는 두께의 베이스 플레이트(100")를 제조할 수 있다.
베이스 플레이트(100")는 제1 금속시트(110)의 상면에 브레이징 필러층(200)을 매개로 제2 금속시트(120)가 브레이징 접합되고, 제2 금속시트(120)의 상면에 브레이징 필러층(200)을 매개로 제3 금속시트(130)가 브레이징 접합된 3층의 적층형 구조일 수 있다.
브레이징 필러층(200)은 AgCu 또는 AgCuTi를 포함하는 합금재료로 이루어질 수 있다. 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.
그리고, 일 예로, CuMo 재질 금속시트의 상면과 하면에 브레이징 필러층(p)을 매개로 Cu 재질 금속시트를 접합하여 3층 구조 또는 다층 접합 구조로 형성하면 두께 2.0mm 이상인 베이스 플레이트(100")를 제조할 수 있다.
베이스 플레이트(100")는 Cu/CuMo/Cu의 3층 접합 금속시트 구조로 형성하거나 AlSiC로 형성하는 경우 세라믹기판(300)과 접합에서 가장 우수한 접합 특성을 보였으며, 이때 열팽창 계수는 6.8~12ppm/K, 열전도도는 220~280W/m.K의 열특성을 가졌다.
상술한 본 발명은 베이스 플레이트를 세라믹기판과 동시에 고온에서 브레이징 접합하므로 접합 신뢰성이 높아지고 공정 단순화가 가능하며 공정비용 절감에도 기여할 수 있다.
특히, 브레이징 접합은 종래의 솔더프리폼의 사용처럼 진공접합설비 등을 요구하지 않으므로 공정단순화가 가능하고, 상부 중량 또는 가압을 실시하는 것에서 기공 결함이 방지되고 접합강도가 높아지므로 접합 신뢰성을 높일 수 있다.
또한, 베이스 플레이트는 열팽창 계수를 낮추어 고온에서 휨 발생을 방지할 수 있으며 우수한 열전도도를 가져 파워모듈에서 요구하는 고방열 조건을 만족할 수 있다.
또 다른 실시예로 베이스 플레이트의 상면에 배치되는 브레이징 필러층은 패턴 분할 형태로 배치될 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 베이스 플레이트에 배치된 브레이징 필러층을 보인 평면도이다.
도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 브레이징 필러층(200)은 베이스 플레이트(100)의 상면에 복수 개가 분할 배치될 수 있다. 브레이징 필러층(200)을 베이스 플레이트(100)의 상면에 분할 배치하여 휨 변화량을 제어할 수 있다.
복수 개의 브레이징 필러층은 2×1 배열 또는 2×2 배열(도 6 참조) 또는 4×4 배열(도 7 및 도 8 참조) 중 어느 하나의 형태로 분할 배치할 수 있다. 또한 복수 개의 브레이징 필러층(200)은 균일한 접합 면적을 제공할 수 있도록 분할된 면적이 동일한 것이 바람직하다.
또한, 복수 개의 브레이징 필러층(200)은 베이스 플레이트(100)의 상면에 행렬 배치되고 일정 거리 이격된 것이 바람직하다.
또한, 복수 개의 브레이징 필러층(200)은 세라믹기판(도 3의 도면 부호 300)의 하면의 금속층(320)의 부피 대비 85~115% 범위의 부피를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 브레이징 필러층(200)의 부피는 접합 면적×높이를 의미한다.
베이스 플레이트(100)는 복수 개의 브레이징 필러층(200)이 안착되는 요입홈(101)이 형성된다. 베이스 플레이트(100)의 상면에 요입홈(101)을 분할 패턴 형태로 형성하고 요입홈(101)에 브레이징 필러층(200)을 배치하면 브레이징 필러층(200)의 균일 배치가 용이하고 접합력도 향상된다.
브레이징 필러층(200)은 베이스 플레이트(100)의 열팽창 계수와 접합 면적 또는 부피를 계산하여 베이스 플레이트(100)의 휨 변화량을 사전 계산한 다음 패턴 설계할 수 있다. 더 상세하게는 세라믹기판(300)의 금속층(320)의 면적비 또는 부피부를 계산하여 접합하고자 하는 베이스 플레이트(100)의 접합면적 및 부피를 계산하고 85~115% 범위에서 베이스 플레이트(100)의 휨이 발생하지 않는 브레이징 필러층(200)의 분할 패턴을 설계할 수 있다.
베이스 플레이트(100)는 휨 변화량 제어를 위해 Cu, Al, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu 중 적어도 하나 또는 이들의 복합소재로 이루어질 수 있다.
베이스 플레이트(100)의 상면에 브레이징 필러층(200)의 분할 패턴을 설계할 경우, 베이스 플레이트와 세라믹기판의 접합 방법은 상면에 분할 배치된 복수 개의 요입홈(101)이 형성된 베이스 플레이트(100)를 준비하는 단계와 세라믹기판(300)을 준비하는 단계와 복수 개의 요입홈(101)에 브레이징 필러층(200)을 배치하는 단계와 브레이징 필러층(200)이 배치된 베이스 플레이트(100)의 상면에 세라믹기판(300)을 적층하고 브레이징하는 단계를 포함한다.
상면에 분할 배치된 복수 개의 요입홈이 형성된 베이스 플레이트를 준비하는 단계에서, 요입홈(101)은 베이스 플레이트(100)를 하프 에칭하여 형성한다.
복수 개의 요입홈에 브레이징 필러층을 배치하는 단계에서, 페이스트 도포, 포일(foil) 부착, P-fiiler 중 어느 하나의 방법으로 복수 개의 요입홈(101)에 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 두께를 갖는 브레이징 필러층(200)을 배치한다.
브레이징 필러층(200)은 AgCu 또는 AgCuTi를 포함하는 합금재료로 형성한다.
브레이징하는 단계는 780~900℃에서 수행하고, 브레이징 중에 상부 중량 또는 가압을 실시한다.
상술한 본 발명은 베이스 플레이트를 세라믹기판과 동시에 고온에서 브레이징 접합하므로 접합 신뢰성이 높아지고 공정 단순화가 가능하며 공정비용 절감에도 기여할 수 있다.
특히, 브레이징 접합은 종래의 솔더프리폼의 사용처럼 진공접합설비 등을 요구하지 않으므로 공정단순화가 가능하고, 상부 중량 또는 가압을 실시하는 것에서 기공 결함이 방지되고 접합강도가 높아지므로 접합 신뢰성을 높일 수 있다.
또한, 베이스 플레이트는 열팽창 계수를 낮추어 고온에서 휨 발생을 방지할 수 있으며 우수한 열전도도를 가져 파워모듈에서 요구하는 고방열 조건을 만족할 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.

Claims (20)

  1. 상면에 요입홈이 형성된 베이스 플레이트;
    상기 요입홈에 배치되는 브레이징 필러층; 및
    상기 브레이징 필러층을 매개로 상기 베이스 플레이트의 상면에 브레이징 접합되는 세라믹기판;
    을 포함하는 파워모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트는 다층 구조로 이루어지는 파워모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트는
    Cu, Al, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu 중 적어도 하나 또는 이들의 복합소재로 이루어지는 파워모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 요입홈은 복수 개가 형성되는 파워모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 요입홈의 높이는 상기 브레이징 필러층의 두께에 비해 작거나 같은 파워모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 브레이징 필러층은 AgCu 또는 AgCuTi를 포함하는 합금재료로 이루어진 파워모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 브레이징 필러층은 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 두께를 가지는 파워모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹기판은
    세라믹기재와 상기 세라믹기재의 상면과 하면에 형성된 금속층을 포함하고,
    상기 금속층은 Cu, Cu합금, OFC, EPT Cu, Al 중 하나로 이루어지는 파워모듈.
  9. 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트의 상면에 배치되는 브레이징 필러층; 및
    상기 브레이징 필러층을 매개로 상기 베이스 플레이트의 상면에 브레이징 접합되는 세라믹기판;
    을 포함하고,
    상기 브레이징 필러층은 상기 베이스 플레이트의 상면에 복수 개가 분할 배치된 파워모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수 개의 브레이징 필러층은
    2×1 배열 또는 2×2 배열 또는 4×4 배열 중 어느 하나의 형태로 분할 배치되고 분할된 면적이 동일한 파워모듈.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수 개의 브레이징 필러층은
    상기 베이스 플레이트의 상면에 행렬 배치되고 일정 거리 이격된 파워모듈.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 복수 개의 브레이징 필러층은
    상기 세라믹기판의 하면의 금속층의 부피 대비 85~115% 범위의 부피를 갖는 파워모듈.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트는 상면에 상기 복수 개의 브레이징 필러층이 배치되는 요입홈이 형성된 파워모듈.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 브레이징 필러층은 AgCu 또는 AgCuTi를 포함하는 합금재료로 이루어진 파워모듈.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 브레이징 필러층은 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 두께를 가지는 파워모듈.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트는
    Cu, Al, AlSiC, CuMo, CuW, Cu/CuMo/Cu, Cu/Mo/Cu, Cu/W/Cu 중 적어도 하나 또는 이들의 복합소재로 이루어지는 파워모듈.
  17. 상면에 요입홈이 형성된 베이스 플레이트를 준비하는 단계;
    세라믹기판을 준비하는 단계;
    상기 요입홈에 브레이징 필러층을 배치하는 단계; 및
    상기 브레이징 필러층이 배치된 상기 베이스 플레이트의 상면에 세라믹기판을 적층하고 브레이징하는 단계;
    를 포함하는 파워모듈 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 상면에 요입홈이 형성된 베이스 플레이트를 준비하는 단계에서,
    상기 요입홈은 상기 베이스 플레이트를 하프 에칭하여 형성하는 파워모듈 제조방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 요입홈에 브레이징 필러층을 배치하는 단계에서,
    페이스트 도포, 포일(foil) 부착, P-fiiler 중 어느 하나의 방법으로 상기 요입홈에 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 두께를 갖는 브레이징 필러층을 배치하는 파워모듈 제조방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 브레이징하는 단계는
    780~900℃에서 수행하고, 브레이징 중에 상부 중량 또는 가압을 실시하는 파워모듈 제조방법.
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