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KR102170623B1 - 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈 - Google Patents

파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈 Download PDF

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KR102170623B1
KR102170623B1 KR1020157026040A KR20157026040A KR102170623B1 KR 102170623 B1 KR102170623 B1 KR 102170623B1 KR 1020157026040 A KR1020157026040 A KR 1020157026040A KR 20157026040 A KR20157026040 A KR 20157026040A KR 102170623 B1 KR102170623 B1 KR 102170623B1
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KR
South Korea
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layer
aluminum
copper
power module
substrate
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KR1020157026040A
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English (en)
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Inventor
요시유키 나가토모
노부유키 데라사키
요시로우 구로미츠
Original Assignee
미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은 절연 기판 (11) 과, 그 절연 기판 (11) 의 일방의 면에 형성된 회로층 (12) 과, 상기 절연 기판 (11) 의 타방의 면에 형성된 금속층 (13) 을 구비한 파워 모듈용 기판 (10) 으로서, 상기 회로층 (12) 은, 상기 절연 기판 (11) 에 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 1 알루미늄층 (12A) 과, 이 제 1 알루미늄층 (12A) 에 고상 확산 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 1 구리층 (12B) 을 갖고, 상기 금속층 (13) 은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 2 알루미늄층 (13A) 을 가지고 있고, 상기 회로층 (12) 의 두께 (t1) 와 상기 금속층 (13) 의 제 2 알루미늄층 (13A) 의 두께 (t2) 의 관계가, t1 ＜ t2 이다.

Description

파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈{SUBSTRATE FOR POWER MODULES, SUBSTRATE WITH HEAT SINK FOR POWER MODULES, AND POWER MODULE}
이 발명은, 대전류, 고전압을 제어하는 반도체 장치에 사용되는 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈에 관한 것이다.
본원은, 2013년 3월 29일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2013-072677호, 및 2013년 10월 17일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2013-216802호에 대해 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
반도체 소자 중에서도 전력 공급을 위한 파워 반도체 소자는, 발열량이 비교적 높기 때문에, 이것을 탑재하는 기판으로는, 예를 들어, AlN (질화알루미늄), Al2O3 (알루미나), Si3N4 (질화규소) 등으로 이루어지는 절연 기판의 일방의 면측에 제 1 금속판이 접합되어 이루어지는 회로층과, 절연 기판의 타방의 면측에 제 2 금속판이 접합되어 이루어지는 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판이 사용된다.
이와 같은 파워 모듈용 기판에서는, 회로층 상에 땜납재를 개재하여 파워 반도체 소자 등의 반도체 소자가 탑재된다.
그리고, 금속층의 타방의 면측에, 파워 모듈용 기판을 냉각시키기 위한 히트 싱크가 접합된다.
예를 들어, 특허문헌 1 에는, 회로층 및 금속층을 구성하는 제 1 금속판 및 제 2 금속판을 구리판으로 하고, 이 구리판을 DBC 법에 의해 절연 기판에 직접 접합한 파워 모듈용 기판이 제안되어 있다. 또, 특허문헌 1 의 제 1 도에 나타내는 바와 같이, 이 파워 모듈용 기판에, 유기계 내열성 접착제를 사용하여 알루미늄제의 히트 싱크를 접합함으로써, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판이 구성되어 있다.
또, 특허문헌 2 에는, 회로층 및 금속층을 구성하는 제 1 금속판 및 제 2 금속판으로서 알루미늄판을 사용한 파워 모듈용 기판이 제안되어 있다. 이 파워 모듈용 기판의 금속층에, 납땜에 의해 히트 싱크를 접합함으로써, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판이 구성되어 있다.
또한, 특허문헌 3 에는, 절연 기판의 일방의 면에 금속판을 접합하여 회로층으로 하고, 절연 기판의 타방의 면에 주조법에 의해 알루미늄제의 히트 싱크를 직접 형성한 것이 제안되어 있다. 그리고, 회로층을 구성하는 금속판으로서 알루미늄판, 구리판을 사용하는 것이 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 평04-162756호 일본 특허 제3171234호 일본 공개특허공보 2002-076551호
그런데, 특허문헌 1 에 기재된 파워 모듈용 기판 및 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 있어서는, 알루미늄제의 히트 싱크와 절연 기판 사이에 구리판이 배치 형성되어 있기 때문에, 히트 싱크와 절연 기판의 열팽창 계수의 차이에서 기인되는 열 변형을, 이 구리판에 있어서 충분히 완화시킬 수 없어, 절연 기판에 균열 등이 생기기 쉽다는 문제가 있었다. 또한, 특허문헌 1 에는, 히트 싱크와 금속층 사이에 개재하는 유기계 내열성 접착제에 의해 열 변형을 완화시키는 것이 기재되어 있지만, 이 유기계 내열성 접착제가 개재됨으로써 열 저항이 높아지기 때문에, 회로층 상에 탑재된 전기 부품 등의 발열체로부터의 열을 히트 싱크측에 효율적으로 방산할 수 없다는 문제가 있었다.
또, 회로층 및 금속층이 비교적 변형 저항이 높은 구리판으로 구성되어 있기 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때, 절연 기판과 구리판 사이에 발생하는 열 응력에 의해 절연 기판에 균열이 발생할 우려가 있었다.
또, 특허문헌 2 에 기재된 파워 모듈용 기판 및 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 있어서는, 회로층을 구성하는 제 1 금속판으로서 알루미늄판이 사용되고 있다.
여기서, 알루미늄은 구리에 비해 열전도율이 낮기 때문에, 회로층을 구성하는 제 1 금속판으로서 알루미늄판을 사용한 경우에는, 회로층 상에 탑재된 전기 부품 등의 발열체로부터의 열을 확산시켜 방산하는 것이 구리보다 열등한 것이 된다. 이 때문에, 전자 부품의 소형화나 고출력화에 의해, 파워 밀도가 상승한 경우에는, 열을 충분히 방산할 수 없게 될 우려가 있었다. 따라서, 파워 사이클을 부하시켰을 때의 내구성이 저하될 우려가 있었다. 또, 알루미늄은 표면에 강고한 산화 피막이 형성되기 때문에, 알루미늄판으로 이루어지는 회로층 상에 반도체 소자를 직접 땜납 접합할 수 없어, Ni 도금 등을 실시할 필요가 있었다.
또한, 특허문헌 3 에 기재된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 있어서는, 절연 기판에 직접 알루미늄제의 히트 싱크를 접합하고 있기 때문에, 히트 싱크와 절연 기판의 열팽창 계수의 차이에서 기인되는 열 변형에 의해 절연 기판에 균열이 발생하기 쉬워지는 경향이 있다. 이것을 방지하기 위해서, 특허문헌 3 에 있어서는, 히트 싱크의 내력을 낮게 설정할 필요가 있었다. 이 때문에, 히트 싱크 자체의 강도가 부족하고, 취급이 매우 곤란하였다.
또, 주조법에 의해 히트 싱크를 형성하고 있기 때문에, 히트 싱크의 구조가 비교적 간단하게 되어, 냉각 능력이 높은 히트 싱크를 형성할 수 없고, 열의 방산을 촉진할 수 없다는 문제가 있었다.
이 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 회로층 상에 탑재된 전자 부품 등의 발열체로부터의 열의 방산을 촉진할 수 있어, 우수한 파워 사이클 특성을 가짐과 함께, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 절연 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있는 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 및, 파워 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태의 파워 모듈용 기판은, 절연 기판과, 그 절연 기판의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 절연 기판의 타방의 면에 형성된 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판으로서, 상기 회로층은, 상기 절연 기판에 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 1 알루미늄층과, 이 제 1 알루미늄층에 고상 확산 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 1 구리층을 갖고, 상기 금속층은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 2 알루미늄층을 가지고 있고, 상기 회로층의 두께 (t1) 와 상기 금속층의 제 2 알루미늄층의 두께 (t2) 의 관계가 t1 ＜ t2 인 것을 특징으로 한다.
이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 절연 기판의 일방의 면측에 배치된 제 1 알루미늄층 및 제 1 구리층을 갖는 회로층의 두께 (t1) 와, 절연 기판의 타방의 면측에 배치된 금속층의 제 2 알루미늄층의 두께 (t2) 의 관계가 t1 ＜ t2 로 되어 있으므로, 이 파워 모듈용 기판에 열 응력이 부하되었을 때, 비교적 두껍게 형성된 금속층의 제 2 알루미늄층이 변형되게 되어, 파워 모듈용 기판에 있어서의 휨 발생을 억제할 수 있다.
또, 예를 들어, 이 파워 모듈용 기판의 금속층측에 히트 싱크를 접합한 경우에도, 절연 기판과 히트 싱크의 열팽창 계수의 차이에서 기인되는 열 변형을, 충분히 두껍게 형성된 제 2 알루미늄층이 변형됨으로써 완화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 회로층이, 절연 기판측에 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 1 알루미늄층을 구비하고 있기 때문에, 히트 사이클이 부하된 경우에 절연 기판과 회로층의 열팽창 계수의 차이에서 기인하여 발생하는 열 응력을 제 1 알루미늄층의 변형에 의해 흡수할 수 있어, 절연 기판의 균열을 억제하는 것이 가능해진다.
또, 회로층이 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 1 구리층을 구비하고 있기 때문에, 제 1 구리층에 의해 반도체 소자 등으로부터의 열을 면 방향으로 확산시킬 수 있어, 효율적으로 방열하는 것이 가능해진다. 또한, 회로층 상에 반도체 소자 등을 양호하게 땜납 접합할 수 있다. 또, 제 1 구리층은, 비교적 변형 저항이 크기 때문에, 파워 사이클이 부하된 경우에, 회로층의 표면이 변형되는 것을 억제할 수 있고, 땜납층에 크랙 등이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
그리고, 제 1 알루미늄층과 제 1 구리층은, 고상 확산 접합에 의해 접합되어 있으므로, 제 1 알루미늄층과 제 1 구리층이 확실하게 접합되어 있고, 회로층의 열전도성 및 도전성을 유지할 수 있다.
상기 금속층이, 상기 절연 기판에 접합된 상기 제 2 알루미늄층과, 이 제 2 알루미늄층에 고상 확산 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 2 구리층을 갖는 구성으로 해도 된다.
이 경우, 절연 기판의 타방의 면측에 위치하는 금속층이, 상기 제 2 알루미늄층과, 이 제 2 알루미늄층에 고상 확산 접합된 제 2 구리층을 구비하고 있기 때문에, 이 파워 모듈용 기판의 금속층측에 히트 싱크를 접합할 때에는 제 2 구리층과 히트 싱크가 접합되게 된다.
예를 들어, 히트 싱크의 접합면이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되어 있는 경우에는, 이 제 2 구리층과 히트 싱크를 고상 확산 접합법에 의해 접합하는 것이 가능해진다. 또, 예를 들어, 히트 싱크의 접합면이 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있는 경우에는, 이 제 2 구리층과 히트 싱크를 땜납을 사용하여 접합하는 것이 가능해진다.
또, 금속층이, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 2 구리층을 구비하고 있기 때문에, 제 2 구리층에 의해 열을 면 방향으로 확산시킬 수 있어, 효율적으로 방열하는 것이 가능해진다.
또한, 절연 기판과 제 2 구리층 사이에 비교적 변형 저항이 작은 제 2 알루미늄층이 형성되어 있기 때문에, 제 2 알루미늄층이 변형됨으로써 열 응력이 완화되게 되어, 절연 기판에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
그리고, 제 2 알루미늄층과 제 2 구리층이 고상 확산 접합에 의해 접합되어 있으므로, 제 2 알루미늄층과 제 2 구리층이 확실하게 접합되어 있고, 금속층의 열전도성을 유지할 수 있다.
상기 회로층의 두께 (t1) 와 상기 금속층의 제 2 알루미늄층의 두께 (t2) 의 관계가 t2/t1 ≥ 1.5 로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 회로층의 두께 (t1) 와, 금속층의 제 2 알루미늄층의 두께 (t2) 의 관계가 t2/t1 ≥ 1.5 로 되어 있으므로, 파워 모듈용 기판에 있어서의 휨 발생을 확실하게 억제할 수 있다.
본 발명의 다른 양태의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 전술한 파워 모듈용 기판과, 상기 금속층측에 접합된 히트 싱크를 구비한다.
이 구성의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 의하면, 히트 싱크와 절연 기판 사이에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 2 알루미늄층을 갖는 금속층이 개재되어 있고, 이 제 2 알루미늄층의 두께 (t2) 가, 회로층의 두께 (t1) 에 대하여 t1 ＜ t2 로 되어 있다. 따라서, 절연 기판과 히트 싱크의 열팽창 계수의 차이에서 기인되는 열 변형을, 금속층의 제 2 알루미늄층의 변형에 의해 완화시킬 수 있어, 절연 기판의 균열을 억제할 수 있다.
본 발명의 다른 양태의 파워 모듈은, 전술한 파워 모듈용 기판과, 상기 회로층 상에 탑재된 전자 부품을 구비한다.
이 구성의 파워 모듈에 의하면, 회로층 상에 탑재된 전자 부품으로부터의 열을 효율적으로 방산할 수 있고, 전자 부품의 파워 밀도 (발열량) 가 향상된 경우에도, 충분히 대응할 수 있다. 또, 파워 사이클 부하시의 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 회로층 상에 탑재된 전자 부품 등의 발열체로부터의 열의 방산을 촉진할 수 있어, 우수한 파워 사이클 특성을 가짐과 함께, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 절연 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있는 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈을 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는 도 1 의 회로층에 있어서의 제 1 알루미늄층과 제 1 구리층의 접합 계면의 확대 설명도이다.
도 3 은 도 1 의 금속층에 있어서의 제 2 알루미늄층과 제 2 구리층의 접합 계면의 확대 설명도이다.
도 4 는 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판 및 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 플로도이다.
도 5 는 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판 및 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 7 은 본 발명의 제 3 실시형태인 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 8 은 본 발명의 다른 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 9 는 본 발명의 다른 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 있어서, 제 1 알루미늄층과 제 1 구리층의 계면의 개략 설명도이다.
도 10 은 본 발명의 다른 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 있어서, 제 2 알루미늄층과 제 2 구리층의 계면의 개략 설명도이다.
도 11 은 도 9 에 있어서의 제 1 금속간 화합물층과 제 1 구리층의 계면의 확대 설명도이다.
도 12 는 도 10 에 있어서의 제 2 금속간 화합물층과 제 2 구리층의 계면의 확대 설명도이다.
도 13 은 Cu 와 Al 의 2 원 상태도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10), 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (40) 및 파워 모듈 (1) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (1) 은, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (40) 과, 이 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (40) 의 일방측 (도 1 에 있어서 상측) 의 면에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (전자 부품) (3) 를 구비하고 있다.
여기서, 땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 되어 있다.
히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (40) 은, 파워 모듈용 기판 (10) 과 파워 모듈용 기판 (10) 을 냉각시키는 히트 싱크 (41) 를 구비하고 있다.
본 실시형태에 있어서의 히트 싱크 (41) 는, 파워 모듈용 기판 (10) 과 접합되는 천판부 (42) 와, 이 천판부 (42) 에 적층 배치되는 냉각 부재 (43) 를 구비하고 있다. 냉각 부재 (43) 의 내부에는, 냉각 매체가 유통되는 유로 (44) 가 형성되어 있다.
여기서, 천판부 (42) 와 냉각 부재 (43) 는, 고정 나사 (45) 에 의해 연결되는 구조로 되어 있다. 이 때문에, 천판부 (42) 에는, 고정 나사 (45) 를 비틀어 박아도 용이하게 변형되지 않도록 강성을 확보할 필요가 있다. 그래서, 본 실시형태에서는, 히트 싱크 (41) 의 천판부 (42) 를, 내력이 100 N/㎟ 이상인 금속 재료로 구성하고, 그 두께를 2 ㎜ 이상으로 하고 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 천판부 (42) 는 A6063 합금 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 절연 기판 (11) 과, 이 절연 기판 (11) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (12) 과, 절연 기판 (11) 의 타방의 면 (도 1 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (13) 을 구비하고 있다.
절연 기판 (11) 은, 회로층 (12) 과 금속층 (13) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 예를 들어 AlN (질화알루미늄), Si3N4 (질화규소), Al2O3 (알루미나) 등의 절연성이 높은 세라믹스로 구성되고, 본 실시형태에서는, AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 절연 기판 (11) 의 두께는, 예를 들어 0.2 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 절연 기판 (11) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 제 1 알루미늄층 (12A) 과, 이 제 1 알루미늄층 (12A) 의 일방측에 접합된 제 1 구리층 (12B) 을 가지고 있다.
본 실시형태에서는, 제 1 알루미늄층 (12A) 은, 절연 기판 (11) 의 일방의 면에 순도가 99.99 mass％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판이 접합됨으로써 형성되어 있다.
또, 제 1 구리층 (12B) 은, 무산소동의 압연판이 제 1 알루미늄층 (12A) 에 고상 확산 접합됨으로써 형성되어 있다.
금속층 (13) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 절연 기판 (11) 의 타방의 면 (도 1 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 제 2 알루미늄층 (13A) 과, 이 제 2 알루미늄층 (13A) 의 타방측 (도 1 에 있어서 하측) 에 접합된 제 2 구리층 (13B) 을 가지고 있다.
본 실시형태에서는, 제 2 알루미늄층 (13A) 은, 절연 기판 (11) 의 타방의 면에 순도가 99.99 mass％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판이 접합됨으로써 형성되어 있다.
또, 제 2 구리층 (13B) 은, 무산소동의 압연판이 제 2 알루미늄층 (13A) 에 고상 확산 접합됨으로써 형성되어 있다.
이와 같이, 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 과 금속층 (13) 이, 각각 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 과 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 이 고상 확산 접합된 접합체로 구성되어 있다.
여기서, 고상 확산 접합된 제 1 알루미늄층 (12A) 과 제 1 구리층 (12B) 의 접합 계면 및 제 2 알루미늄층 (13A) 과 제 2 구리층 (13B) 의 접합 계면에는, 도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 각각 금속간 화합물층 (제 1 금속간 화합물층 (12C), 제 2 금속간 화합물층 (13C)) 이 형성되어 있다.
금속간 화합물층 (제 1 금속간 화합물층 (12C), 제 2 금속간 화합물층 (13C)) 은, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 의 알루미늄 원자와, 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 의 구리 원자가 상호 확산됨으로써 형성되어 있고, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 으로부터 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 을 향함에 따라, 점차 알루미늄 원자의 농도가 낮아지고, 또한, 구리 원자의 농도가 높아지는 농도 구배를 가지고 있다. 여기서, 금속간 화합물층 (제 1 금속간 화합물층 (12C), 제 2 금속간 화합물층 (13C)) 의 두께 (tC) 는, 1 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내, 바람직하게는 5 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
금속간 화합물층 (제 1 금속간 화합물층 (12C), 제 2 금속간 화합물층 (13C)) 은, Cu 와 Al 로 이루어지는 금속간 화합물로 구성되어 있고, 본 실시형태에서는, 복수의 금속간 화합물이 접합 계면을 따라 적층된 구조로 되어 있다.
본 실시형태에서는, 도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 3 종의 금속간 화합물이 적층된 구조로 되어 있고, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 측으로부터 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 측을 향하여 순서대로, θ 상 (16), η2 상 (17), ζ2 상 (18) 으로 되어 있다 (도 13 참조).
또, 금속간 화합물층 (제 1 금속간 화합물층 (12C), 제 2 금속간 화합물층 (13C)) 과 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 의 접합 계면에는, 접합 계면을 따라 산화물 (19) 이 층상으로 분산되어 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서는, 이 산화물 (19) 은, 알루미나 (Al2O3) 등의 알루미늄 산화물로 되어 있다. 이 산화물 (19) 은, 금속간 화합물층 (제 1 금속간 화합물층 (12C), 제 2 금속간 화합물층 (13C)) 과 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 의 계면에 분단된 상태로 분산되어 있고, 제 1 금속간 화합물층 (12C) 과 제 1 구리층 (12B) 이 직접 접촉하고 있는 영역도 존재하고 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 의 평균 결정 입경이 50 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하의 범위 내로 되고, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 의 평균 결정 입경이 500 ㎛ 이상으로 되어 있다.
여기서, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (12) 의 두께 (t1) 와, 금속층 (13) 의 제 2 알루미늄층 (13A) 의 두께 (t2) 의 관계가 t1 ＜ t2 로 되어 있다.
본 실시형태에서는, 회로층 (12) 의 두께 (t1) 가 0.10 ㎜ ≤ t1 ≤ 3.6 ㎜ 의 범위 내로 설정되고, 금속층 (13) 의 제 2 알루미늄층 (13A) 의 두께 (t2) 가 0.15 ㎜ ≤ t2 ≤ 5.4 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 회로층 (12) 의 두께 (t1) 와, 금속층 (13) 의 제 2 알루미늄층 (13A) 의 두께 (t2) 의 관계가 t2/t1 ≥ 1.5 로 되어 있다.
이하에, 전술한 구성의 파워 모듈용 기판 (10) 및 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (40) 의 제조 방법에 대하여, 도 4, 도 5 를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 절연 기판 (11) 의 일방의 면 (도 5 에 있어서 상면) 및 타방의 면 (도 5 에 있어서 하면) 에, Al-Si 계의 납재 (25, 26) 를 개재하여 제 1 알루미늄판 (22A), 제 2 알루미늄판 (23A) 을 적층한다. 그리고, 가압·가열 후 냉각함으로써, 절연 기판 (11) 과 제 1 알루미늄판 (22A) 및 제 2 알루미늄판 (23A) 을 접합하고, 절연 기판 (11) 에 제 1 알루미늄층 (12A) 및 제 2 알루미늄층 (13A) 을 형성한다 (알루미늄층 형성 공정 S01). 또한, 이 납땜의 온도는, 예를 들어 640 ℃ ∼ 650 ℃ 로 설정되어 있다.
다음으로, 제 1 알루미늄층 (12A) 의 일방측 (도 5 에 있어서 상측) 에 제 1 구리판 (22B) 을 배치한다. 또, 제 2 알루미늄층 (13A) 의 타방측 (도 5 에 있어서 하측) 에, 제 2 구리판 (23B) 을 개재하여 히트 싱크 (41) 의 천판부 (42) 를 적층한다. 그리고, 이것들을 진공 가열로 (50) 중에 배치하고, 적층 방향으로 가압 (예를 들어 3 kgf/㎠ 이상 35 kgf/㎠ 이하의 압력으로 가압) 하고, 진공 분위기하에서 가열 처리를 실시한다. 본 실시형태에 있어서는, 가열 온도를, 예를 들어 400 ℃ 이상 548 ℃ 미만으로 하고, 유지 시간을 예를 들어 5 분 이상 240 분 이하로 설정하고 있다. 또한, 가열 온도는, Al 과 Cu 의 공정 (共晶) 온도 -5 ℃ 이상, 공정 온도 미만의 범위로 하는 것이 바람직하다. 또, 고상 확산 접합되는 접합면은, 미리 당해 면의 흠집이 제거되어 평활하게 되어 있는 것이 바람직하다.
이로써, 제 1 알루미늄층 (12A) 에 고상 확산 접합된 제 1 구리층 (12B) 및 제 2 알루미늄층 (13A) 에 고상 확산 접합된 제 2 구리층 (13B) 을 형성한다 (구리층 형성 공정 S02). 또한, 제 2 구리층 (13B) 과 천판부 (42) 를 고상 확산 접합에 의해 접합한다 (히트 싱크 접합 공정 S03).
이어서, 천판부 (42) 의 타방측에 그리스를 개재하여 냉각 부재 (43) 를 적층하고, 고정 나사 (45) 에 의해 천판부 (42) 와 냉각 부재 (43) 를 연결한다 (냉각기 연결 공정 S04).
그리고, 회로층 (12) 의 일방의 면에, 땜납에 의해 반도체 소자 (3) 를 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S05).
이와 같이 하여, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10), 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (40) 및 파워 모듈 (1) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 에 의하면, 절연 기판 (11) 의 일방의 면측에 배치된 회로층 (12) 의 두께 (t1) 와, 절연 기판 (11) 의 타방의 면측에 배치된 금속층 (13) 의 제 2 알루미늄층 (13A) 의 두께 (t2) 의 관계가 t1 ＜ t2 로 되어 있으므로, 이 파워 모듈용 기판 (10) 에 열 응력이 부하되었을 때, 비교적 두껍게 형성된 금속층 (13) 의 제 2 알루미늄층 (13A) 이 변형됨으로써, 파워 모듈용 기판 (10) 에 있어서의 휨 발생을 억제할 수 있다.
특히, 본 실시형태에서는, 회로층 (12) 의 두께 (t1) 와 금속층 (13) 의 제 2 알루미늄층 (13A) 의 두께 (t2) 의 관계가 t2/t1 ≥ 1.5 로 되어 있으므로, 파워 모듈용 기판 (10) 에 있어서의 휨 발생을 확실하게 억제할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 회로층 (12) 이, 절연 기판 (11) 측에 제 1 알루미늄층 (12A) 을 구비하고 있기 때문에, 히트 사이클이 부하된 경우에 절연 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 열팽창 계수의 차이에서 기인하여 발생하는 열 응력을 제 1 알루미늄층 (12A) 의 변형에 의해 흡수함으로써, 절연 기판 (11) 의 균열을 억제할 수 있다. 특히, 본 실시형태에서는, 제 1 알루미늄층 (12A) 이 순도 99.99 mass％ 이상인 4N 알루미늄의 압연판을 접합함으로써 구성되어 있기 때문에, 변형 저항이 작아, 열 응력을 흡수하여 절연 기판 (11) 의 균열을 확실하게 억제할 수 있다.
또한, 회로층 (12) 이 제 1 구리층 (12B) 을 구비하고 있기 때문에, 제 1 구리층 (12B) 에 의해 반도체 소자 (3) 로부터의 열을 면 방향으로 확산시킬 수 있어, 효율적으로 방열하는 것이 가능해진다.
또, 회로층 (12) (제 1 구리층 (12B)) 상에 반도체 소자 (3) 를 양호하게 땜납 접합할 수 있다. 또한, 제 1 구리층 (12B) 은, 비교적 변형 저항이 크기 때문에, 파워 사이클이 부하된 경우에, 회로층 (12) 의 표면이 변형되는 것을 억제할 수 있고, 땜납층 (2) 에 크랙 등이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 특히, 본 실시형태에서는, 제 1 구리층 (12B) 이 무산소동의 압연판을 접합함으로써 구성되어 있기 때문에 열전도율이 우수하여, 방열 특성을 확실하게 향상시킬 수 있다.
그리고, 제 1 알루미늄층 (12A) 과 제 1 구리층 (12B) 은, 고상 확산 접합에 의해 접합되어 있으므로, 제 1 알루미늄층 (12A) 과 제 1 구리층 (12B) 이 확실하게 접합되어 있어, 회로층 (12) 의 열전도성 및 도전성을 유지할 수 있다.
또, 금속층 (13) 이, 절연 기판 (11) 에 접합된 제 2 알루미늄층 (13A) 과, 이 제 2 알루미늄층 (13A) 에 고상 확산 접합된 제 2 구리층 (13B) 을 가지고 있으므로, 파워 모듈용 기판 (10) 에 부하된 열 응력이 제 2 알루미늄층 (13A) 이 변형됨으로써 완화되게 되어, 절연 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 제 2 구리층 (13B) 에 의해 열이 면 방향으로 확산될 수 있기 때문에, 방열 특성을 향상시키는 것이 가능해진다. 또, 제 2 알루미늄층 (13A) 과 제 2 구리층 (13B) 이 고상 확산 접합에 의해 접합되어 있으므로, 제 2 알루미늄층 (13A) 과 제 2 구리층 (13B) 이 확실하게 접합되어 있어, 금속층 (13) 의 열전도성을 유지할 수 있다.
그리고, 본 실시형태에서는, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 과 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 사이에는, 금속간 화합물층 (제 1 금속간 화합물층 (12C), 제 2 금속간 화합물층 (13C)) 이 형성되어 있다. 그 때문에, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 중의 Al 이 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 측으로, 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 중의 Cu 가 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 측으로 각각 충분히 상호 확산되어 있고, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 과 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 이 확실하게 접합되어 있어, 접합 신뢰성이 우수하다.
또, 본 실시형태에서는, 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 과 금속간 화합물층 (제 1 금속간 화합물층 (12C), 제 2 금속간 화합물층 (13C)) 의 접합 계면에는, 산화물 (19) 이 이것들 접합 계면을 따라 각각 층상으로 분산되어 있다. 그 때문에, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 의 표면에 형성된 산화막이 확실하게 파괴되고, Cu 와 Al 의 상호 확산이 충분히 진행되고 있는 것이 되어, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 과 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 이 확실하게 접합되어 있어, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 에 있어서 박리가 발생할 우려가 없다.
또, 본 실시형태에서는, 금속간 화합물층 (제 1 금속간 화합물층 (12C), 제 2 금속간 화합물층 (13C)) 은, 복수의 금속간 화합물이 접합 계면을 따라 적층된 구조로 되어 있으므로, 무른 금속간 화합물이 크게 성장하는 것을 억제할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 으로부터 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 측을 향하여 순서대로, θ 상 (16), η2 상 (17), ζ2 상 (18) 의 금속간 화합물이 각각 적층되어 있기 때문에, 금속간 화합물층 (제 1 금속간 화합물층 (12C), 제 2 금속간 화합물층 (13C)) 내부에 있어서의 체적 변동이 작아지고, 내부 변형이 억제되게 된다.
즉, 고상 확산되지 않은 경우, 예를 들어, 액상이 형성된 경우에는, 금속간 화합물이 필요 이상으로 발생하고, 금속간 화합물층은 그 체적의 변동이 커져, 금속간 화합물층에 내부 변형이 발생한다. 그러나, 고상 확산된 경우에는, 무른 금속간 화합물층이 크게 성장되지 않고, 금속간 화합물이 층상으로 형성되기 때문에, 그 내부 변형이 억제된다.
또, 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 중의 Cu 와, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 중의 Al 이, 각각 상호 확산됨으로써, 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 측으로부터, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 측을 향하여, 각각의 조성에 적합한 금속간 화합물이 층상으로 형성되어 있기 때문에, 접합 계면의 특성을 안정시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 의 평균 결정 입경이 500 ㎛ 이상으로 되고, 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 의 평균 결정 입경이 50 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다. 그 때문에, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 에 과잉된 변형 등이 축적되어 있지 않고, 피로 특성이 향상되는 것이 된다. 따라서, 냉열 사이클 부하시에 있어서, 파워 모듈용 기판 (10) 에 발생하는 열 응력에 대한 신뢰성이 향상되는 것이 된다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 금속간 화합물층 (제 1 금속간 화합물층 (12C), 제 2 금속간 화합물층 (13C)) 의 두께 (tC) 가 1 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하, 바람직하게는 5 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다. 따라서, Cu 와 Al 의 상호 확산이 충분히 진행되어 있고, 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 과 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 을 강고하게 접합할 수 있음과 함께, 무른 금속간 화합물이 필요 이상으로 성장하는 것이 억제되고 있어, 접합 계면의 특성이 안정되게 된다.
또, 본 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (40) 에 있어서는, 히트 싱크 (41) 의 천판부 (42) 와 절연 기판 (11) 사이에, 제 2 알루미늄층 (13A) 을 갖는 금속층 (13) 이 개재되어 있고, 이 제 2 알루미늄층 (13A) 의 두께 (t2) 가, 회로층 (12) 의 두께 (t1) 에 대하여 t1 ＜ t2 로 되어 있다. 따라서, 절연 기판 (11) 과 히트 싱크 (41) 의 열팽창 계수의 차이에서 기인되는 열 변형을, 금속층 (13) 의 제 2 알루미늄층 (13A) 의 변형에 의해 완화시킬 수 있어, 절연 기판 (11) 의 균열을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 금속층 (13) 이 제 2 구리층 (13B) 을 가지고 있고, 이 제 2 구리층 (13B) 과 히트 싱크 (41) 의 천판부 (42) 가 고상 확산 접합되어 있으므로, 파워 모듈용 기판 (10) 측의 열을 효율적으로 히트 싱크 (41) 측에 전달할 수 있어, 방열 특성을 대폭 향상시킬 수 있다.
또, 본 실시형태인 파워 모듈 (1) 에 의하면, 회로층 (12) 상에 탑재된 반도체 소자 (3) 로부터의 열을 효율적으로 방산할 수 있고, 반도체 소자 (3) 의 파워 밀도 (발열량) 가 향상된 경우에도, 충분히 대응할 수 있다. 또, 파워 사이클 부하시의 내구성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대하여, 도 6 을 참조하여 설명한다.
도 6 에 나타내는 파워 모듈 (101) 은, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (140) 과, 이 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (140) 의 일방측 (도 6 에 있어서 상측) 의 면에 제 1 땜납층 (102) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (전자 부품) (3) 를 구비하고 있다. 여기서, 제 1 땜납층 (102) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, Sn-Sb 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 되어 있다.
히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (140) 은, 파워 모듈용 기판 (110) 과 파워 모듈용 기판 (110) 을 냉각시키는 히트 싱크 (141) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (110) 은, 절연 기판 (111) 과, 이 절연 기판 (111) 의 일방의 면 (도 6 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (112) 과, 절연 기판 (111) 의 타방의 면 (도 6 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (113) 을 구비하고 있다.
본 실시형태에서는, 절연 기판 (111) 은, AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 절연 기판 (111) 의 두께는, 예를 들어 0.2 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (112) 은, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 절연 기판 (111) 의 일방의 면 (도 6 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 제 1 알루미늄층 (112A) 과, 이 제 1 알루미늄층 (112A) 의 일방측에 접합된 제 1 구리층 (112B) 을 가지고 있다.
본 실시형태에서는, 제 1 알루미늄층 (112A) 은, 절연 기판 (111) 의 일방의 면에 순도가 99.99 mass％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판이 접합됨으로써 형성되어 있다.
또, 제 1 구리층 (112B) 은, 무산소동의 압연판이 제 1 알루미늄층 (112A) 에 고상 확산 접합됨으로써 형성되어 있다.
금속층 (113) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 절연 기판 (111) 의 타방의 면 (도 6 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 제 2 알루미늄층 (113A) 과, 이 제 2 알루미늄층 (113A) 의 타방측 (도 6 에 있어서 하측) 에 접합된 제 2 구리층 (113B) 을 가지고 있다.
본 실시형태에서는, 제 2 알루미늄층 (113A) 은, 절연 기판 (111) 의 타방의 면에 순도가 99.99 mass％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판이 접합됨으로써 형성되어 있다.
또, 제 2 구리층 (113B) 은, 무산소동의 압연판이 제 2 알루미늄층 (113A) 에 고상 확산 접합됨으로써 형성되어 있다.
이와 같이 본 실시형태에서는, 제 1 실시형태와 동일하게 회로층 (112) 과 금속층 (113) 이, 각각 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (112A), 제 2 알루미늄층 (113A)) 과 구리층 (제 1 구리층 (112B), 제 2 구리층 (113B)) 이 확산 접합된 접합체로 구성되어 있다.
그리고, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (110) 에 있어서는, 회로층 (112) 의 두께 (t1) 와, 금속층 (113) 의 제 2 알루미늄층 (113A) 의 두께 (t2) 의 관계가 t1 ＜ t2 로 되어 있다.
본 실시형태에서는, 회로층 (112) 의 두께 (t1) 가 0.1 ㎜ ≤ t1 ≤ 3.6 ㎜ 의 범위 내로 설정되고, 금속층 (113) 의 제 2 알루미늄층 (113A) 의 두께 (t2) 가 0.15 ㎜ ≤ t2 ≤ 5.4 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 회로층 (112) 의 두께 (t1) 와, 금속층 (113) 의 제 2 알루미늄층 (113A) 의 두께 (t2) 의 관계가 t2/t1 ≥ 1.5 로 되어 있다.
또, 본 실시형태에 있어서의 히트 싱크 (141) 는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 방열판으로 되어 있다.
이 히트 싱크 (141) 는, 파워 모듈용 기판 (110) 의 금속층 (113) 과 제 2 땜납층 (108) 을 개재하여 접합되어 있다. 또, 제 2 땜납층 (108) 은, 상기 서술한 제 1 땜납층 (102) 과 동일하게, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, Sn-Sb 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계 등의 각종 땜납재를 사용할 수 있다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (140) 에 있어서는, 제 1 실시형태와 동일하게, 절연 기판 (111) 의 균열이나 파워 모듈용 기판 (110) 의 휨 등을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (113) 이 제 2 구리층 (113B) 을 가지고 있으므로, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 히트 싱크 (141) 를 땜납층 (108) 을 개재하여 접합할 수 있다.
또, 회로층 (112) 이 제 1 구리층 (112B) 을 갖고, 금속층 (113) 이 제 2 구리층 (113B) 을 가지고 있으므로, 파워 모듈용 기판 (110) 전체의 강성이 확보되게 되어, 열 사이클 부하시에 파워 모듈용 기판 (110) 이 변형되기 어렵고, 제 2 땜납층 (108) 에 있어서의 크랙의 발생을 억제할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 3 실시형태에 대하여, 도 7 을 참조하여 설명한다.
도 7 에 나타내는 파워 모듈 (201) 은, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (240) 과, 이 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (240) 의 일방측 (도 7 에 있어서 상측) 의 면에 땜납층 (202) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (전자 부품) (3) 를 구비하고 있다. 여기서, 땜납층 (202) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 되어 있다.
히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (240) 은, 파워 모듈용 기판 (210) 과 파워 모듈용 기판 (210) 을 냉각시키는 히트 싱크 (241) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (210) 은, 절연 기판 (211) 과, 이 절연 기판 (211) 의 일방의 면 (도 7 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (212) 과, 절연 기판 (211) 의 타방의 면 (도 7 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (213) 을 구비하고 있다.
본 실시형태에서는, 절연 기판 (211) 은, AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 절연 기판 (211) 의 두께는, 예를 들어 0.2 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.
회로층 (212) 은, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 절연 기판 (211) 의 일방의 면 (도 7 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 제 1 알루미늄층 (212A) 과, 이 제 1 알루미늄층 (212A) 의 일방측에 접합된 제 1 구리층 (212B) 을 가지고 있다.
본 실시형태에서는, 제 1 알루미늄층 (212A) 은, 절연 기판 (211) 의 일방의 면에 순도가 99.99 mass％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 또, 제 1 구리층 (212B) 은, 무산소동의 압연판이 제 1 알루미늄층 (212A) 에 고상 확산 접합됨으로써 형성되어 있다.
금속층 (213) 은, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 절연 기판 (211) 의 타방의 면 (도 7 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 제 2 알루미늄층 (213A) 으로 구성되어 있다.
본 실시형태에서는, 금속층 (213) (제 2 알루미늄층 (213A)) 은, 절연 기판 (211) 의 타방의 면에 순도가 99.99 mass％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판이 접합됨으로써 형성되어 있다.
그리고, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (210) 에 있어서는, 회로층 (212) 의 두께 (t1) 와, 금속층 (213) 의 제 2 알루미늄층 (213A) 의 두께 (t2) 의 관계가 t1 ＜ t2 로 되어 있다.
본 실시형태에서는, 회로층 (212) 의 두께 (t1) 가 0.1 ㎜ ≤ t1 ≤ 3.6 ㎜ 의 범위 내로 설정되고, 금속층 (213) (제 2 알루미늄층 (213A)) 의 두께 (t2) 가 0.15 ㎜ ≤ t2 ≤ 5.4 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 회로층 (212) 의 두께 (t1) 와, 금속층 (213) (제 2 알루미늄층 (213A)) 의 두께 (t2) 의 관계가 t2/t1 ≥ 1.5 로 되어 있다.
또, 본 실시형태에 있어서의 히트 싱크 (241) 는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 냉각기로 되어 있고, 금속층 (213) 과 접합되는 천판부 (242) 와, 냉각액이 유통되는 유로 (244) 를 가지고 있다.
이 히트 싱크 (241) 는, 파워 모듈용 기판 (210) 의 금속층 (213) (제 2 알루미늄층 (213A)) 에 납땜에 의해 접합되어 있다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (240) 에 있어서는, 제 1, 2 실시형태와 동일하게, 절연 기판 (211) 의 균열이나 파워 모듈용 기판 (210) 의 휨 등을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (213) 이 제 2 알루미늄층 (213A) 으로 구성되어 있기 때문에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 히트 싱크 (241) 와, 납땜에 의해 양호하게 접합할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
예를 들어, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층, 제 2 알루미늄층) 이 되는 알루미늄판으로서, 순도 99.99 mass％ 이상의 4N 알루미늄의 압연판을 사용하는 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 다른 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된 것이어도 된다. 동일하게, 구리층 (제 1 구리층, 제 2 구리층) 이 되는 구리판으로서, 무산소동의 압연판을 사용하는 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 다른 구리 또는 구리 합금으로 구성된 것이어도 된다.
또, 절연 기판으로서 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판을 사용한 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 Si3N4 나 Al2O3 등으로 이루어지는 세라믹스 기판을 사용해도 된다.
또한, 절연 기판과 제 1 알루미늄층 및 제 2 알루미늄층을 납땜으로 접합하는 것으로서 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 과도 액상 접합법 (Transient Liquid Phase Bonding), 금속 페이스트법, 주조법 등을 적용해도 된다.
또, 히트 싱크의 구조 등은, 본 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 다른 구조의 방열판, 냉각기 등이어도 된다.
또, 상기 실시형태의 파워 모듈용 기판에 있어서, 회로층 (12) 은, 절연 기판 (11) 의 일방의 면에 형성된 제 1 알루미늄층 (12A) 과, 이 제 1 알루미늄층 (12A) 의 일방측에 제 1 구리판 (22B) 이 접합되어 이루어지는 제 1 구리층 (12B) 을 구비하는 경우에 대해 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어 도 8 의 파워 모듈용 기판 (310) 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (312) 이, 절연 기판 (11) 의 일방의 면에 형성된 제 1 알루미늄층 (312A) 과, 이 제 1 알루미늄층 (312A) 의 일방측에 접합된 제 1 구리층 (312B) 을 구비하고, 이 제 1 구리층 (312B) 은, 반도체 소자 등이 접합되는 다이 패드 (332) 와, 외부 단자로서 사용되는 리드부 (333) 를 갖는 구리판으로 이루어지는 구성으로 되어도 된다. 이 파워 모듈용 기판 (310) 에서는, 다이 패드 (332) 와 제 1 알루미늄층 (312A) 이 고상 확산 접합되어 있다. 여기서, 제 1 알루미늄층 (312A) 의 두께는, 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다. 또, 제 1 구리층 (312B) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 6.0 ㎜ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
또, 도 8 에 나타내는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (340) 에서는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 히트 싱크 (341) 가, 파워 모듈용 기판 (310) 의 금속층 (13) 측에, 고상 확산 접합에 의해 접합되어 있다.
또, 상기 실시형태에서는, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 과 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 의 접합 계면에는, 금속간 화합물층 (제 1 금속간 화합물층 (12C), 제 2 금속간 화합물층 (13C)) 이 형성되고, 알루미늄층측 (제 1 알루미늄층 (12A), 제 2 알루미늄층 (13A)) 으로부터 구리층측 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 을 향하여 순서대로, θ 상 (16), η2 상 (17), ζ2 상 (18) 이 적층되어 구성되어 있는 경우에 대해 설명하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로는, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층, 제 2 알루미늄층) 과 구리층 (제 1 구리층, 제 2 구리층) 의 접합 계면에 있어서, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층, 제 2 알루미늄층) 측으로부터 구리층 (제 1 구리층, 제 2 구리층) 측을 향하여 순서대로, 알루미늄의 비율이 낮아지도록 복수의 Cu 및 Al 로 이루어지는 금속간 화합물이 적층되어 있어도 된다.
또, 도 9, 10 에 나타내는 바와 같이, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (412A), 제 2 알루미늄층 (413A)) 과 구리층 (제 1 구리층 (412B), 제 2 구리층 (413B)) 의 접합 계면에는, 알루미늄층 (제 1 알루미늄층 (412A), 제 2 알루미늄층 (413A)) 측으로부터 구리층 (제 1 구리층 (412B), 제 2 구리층 (413B)) 측을 향하여 순서대로, 전술한 접합 계면을 따라, θ 상 (416), η2 상 (417) 이 적층되고, 추가로 ζ2 상 (418), δ 상 (414), 및 γ2 상 (415) 중 적어도 하나의 상이 적층되어 구성된 금속간 화합물층 (제 1 금속간 화합물층 (412C), 제 2 금속간 화합물층 (413C)) 이 형성되어 있어도 된다 (도 13 참조).
또, 상기 실시형태에서는, 금속간 화합물층 (제 1 금속간 화합물층 (12C), 제 2 금속간 화합물층 (13C)) 과 구리층 (제 1 구리층 (12B), 제 2 구리층 (13B)) 의 접합 계면에는, 산화물 (19) 이 접합 계면을 따라 층상으로 분산되어 있는 경우에 대해 설명했지만, 예를 들어 도 11, 12 에 나타내는 바와 같이, 금속간 화합물층 (제 1 금속간 화합물층 (412C), 제 2 금속간 화합물층 (413C)) 과 구리층 (제 1 구리층 (412B), 제 2 구리층 (413B)) 의 계면을 따라, 산화물 (419) 이, ζ 2 상 (418), δ 상 (414) 또는 γ 2 상 (415) 의 내부에 층상으로 분산되어 있는 구성으로 되어도 된다. 또한, 이 산화물 (419) 은, 알루미나 (Al2O3) 등의 알루미늄 산화물로 되어 있다.
실시예
(실시예 1)
본 발명의 유효성을 확인하기 위해서 실시한 비교 실험에 대해 설명한다.
표 1 에 나타내는 바와 같이, 절연 기판, 회로층의 제 1 알루미늄층이 되는 알루미늄판 및 제 1 구리층이 되는 구리판, 금속층의 제 2 알루미늄층이 되는 알루미늄판 및 제 2 구리층이 되는 구리판을 접합하여 파워 모듈용 기판을 제작하였다.
회로층의 사이즈는 37 ㎜ × 37 ㎜, 절연 기판의 사이즈는 40 ㎜ × 40 ㎜, 금속층의 사이즈는 37 ㎜ × 37 ㎜ 로 하였다.
표 2 에 나타내는 「TLP」는, 절연 기판의 표면에 Cu 를 1.0 ㎎/㎠ 가 되도록 고착하고, 적층 방향으로 5 kgf/㎠ 로 가압한 상태로, 10-3 Pa 의 진공 중에서, 600 ℃ 에서 30 분 가열함으로써, 알루미늄판과 절연 기판을 접합하였다.
표 2 에 나타내는 「Al-Si 납」은, Al-7.5 질량％ Si 로 이루어지는 납재박 (두께 100 ㎛) 을 사용하여, 적층 방향으로 12 kgf/㎠ 로 가압한 상태에서, 10-3 Pa 의 진공 중에서, 650 ℃ 에서 30 분 가열함으로써, 알루미늄판과 절연 기판을 접합하였다.
표 2 에 나타내는 「활성 금속납」은, Ag-27.4 질량％ Cu-2.0 질량％ Ti 로 이루어지는 활성 납재를 사용하여, 10-3 Pa 의 진공 중에서, 850 ℃ 에서 10 분 가열함으로써, 구리판과 절연 기판을 접합하였다.
표 2 에 나타내는 「DBC」는, 질소 가스 분위기 중에서 1075 ℃ 에서 10 분 가열함으로써, 구리판과 절연 기판을 접합하였다.
제 1 구리층과 제 1 알루미늄층, 제 2 구리층과 제 2 알루미늄층의 고상 확산 접합은 진공로를 사용하고, 노내 압력 3 × 10-3 Pa, 가열 온도 535 ℃, 유지 시간 60 min, 가압 압력 12 kgf/㎠ (1.17 ㎫) 의 조건으로 실시하였다.
상기 서술한 파워 모듈용 기판의 금속층의 타방의 면측에 히트 싱크를 접합하였다. 히트 싱크는 A3003 합금의 알루미늄판 (60 ㎜ × 70 ㎜ × 5 ㎜) 으로 하였다.
금속층이 제 2 알루미늄층만으로 구성된 파워 모듈용 기판에 대해서는, Al-Si 납박을 사용하여, 3.0 kgf/㎠ 로 가압한 상태에서, 진공 중에서, 610 ℃ 에서 가열하는 것에 의한 접합으로 하였다.
금속층이 제 2 알루미늄층 및 제 2 구리층으로 구성된 파워 모듈용 기판에 대해서는, 상기 서술한 고상 확산 접합시에, 히트 싱크와 제 2 구리층을 고상 확산 접합하였다.
이와 같이 하여 얻어진 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 사용하여, 냉열 사이클 시험을 실시하였다. 평가 결과를 표 2 에 나타낸다. 또한, 500 사이클마다 관찰을 실시하여, 절연 기판의 균열이 확인된 시점에서의 사이클수로 평가하였다. 측정 조건을 이하에 나타낸다.
평가 장치 : 에스펙 주식회사 제조 TSB-51
액상 : 플러리너트
온도 조건 : -40 ℃ × 5 분 ←→ 125 ℃ × 5 분
또한, 이것들 파워 모듈용 기판의 회로층의 일방의 면측에 IGBT 소자를 땜납 접합하였다. 또한, 땜납재 접합은, Sn-Ag-Cu 계 땜납을 사용하여, 수소 환원 분위기 중, 300 ℃ 에서 접합하였다.
이와 같이 하여 얻어진 파워 모듈을 사용하여, 파워 사이클 시험을 실시하였다. 평가 결과를 표 2 에 나타낸다. 또한, 파워 사이클을 10 만회 부하한 후의 열 저항률의 상승률로 평가하였다.
열 저항 상승률은, 다음과 같이 하여 측정하였다. IGBT 에 통전함으로써 가열하고, IGBT 소자 내의 온도 센스 다이오드를 사용하여 IGBT 소자의 온도를 실측하였다. 또, 히트 싱크를 유통하는 냉각 매체 (에틸렌글리콜 : 물 = 9 : 1) 의 온도를 실측하였다. 그리고, IGBT 의 온도와 냉각 매체의 온도차로 규격화한 값을 열 저항 상승률로 하였다. 측정 조건을 이하에 나타낸다.
온도차 : 80 ℃
온도 범위 : 55 ℃ ∼ 135 ℃ (IGBT 소자 내의 온도 센스 다이오드로 측정)
통전 시간 : 6 초
냉각 시간 : 4 초
Figure 112015091941217-pct00001
Figure 112015091941217-pct00002
회로층의 두께 (t1) 가 금속층의 제 2 알루미늄층의 두께 (t2) 보다 두껍게 형성된 비교예 1 에 있어서는, 냉열 사이클 시험에 있어서 3000 사이클 이하에서 절연 기판에 균열이 확인되었다. 또한, 파워 사이클 시험에서도 열 저항의 상승이 확인되었다.
회로층의 두께 (t1) 가 금속층의 제 2 알루미늄층의 두께 (t2) 와 동일하게 된 비교예 2 에 있어서는, 냉열 사이클 시험에 있어서 2000 사이클 이하에서 절연 기판에 균열이 확인되었다. 또한, 파워 사이클 시험에서도 열 저항의 상승이 확인되었다.
회로층을 제 1 알루미늄층만으로 구성한 비교예 3, 4 에 있어서는, 냉열 사이클 시험의 결과는 양호하지만, 파워 사이클 시험에 있어서 크게 열 저항이 상승되는 것이 확인되었다.
회로층을 제 1 구리층만으로 구성한 비교예 5, 6 에 있어서는, 냉열 사이클 시험에 있어서 1000 사이클 이하에서 절연 기판에 균열이 확인되었다.
이에 대하여, 본 발명예 1 - 8 에 있어서는, 냉열 사이클 시험에 있어서 3000 사이클 이상에서도 절연 기판에 균열이 확인되지 않았다. 또, 파워 사이클 시험에 있어서도, 열 저항의 상승이 억제되고 있는 것이 확인된다.
이상의 결과로부터, 본 발명예에 의하면, 회로층 상에 탑재된 전자 부품 등의 발열체로부터의 열의 방산을 촉진할 수 있어, 우수한 파워 사이클 특성을 가짐과 함께, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 절연 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있는 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈을 제공하는 것이 가능하다는 것이 확인되었다.
(실시예 2)
다음으로, 상기 서술한 제 2 실시형태 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 파워 모듈용 기판의 금속층과 히트 싱크를 제 2 땜납층을 개재하여 접합하고, 이 제 2 땜납층에 있어서의 접합률에 대해 평가하였다.
표 3 에 나타내는 바와 같이, 절연 기판, 회로층의 제 1 알루미늄층이 되는 알루미늄판 및 제 1 구리층이 되는 구리판, 금속층의 제 2 알루미늄층이 되는 알루미늄판 및 제 2 구리층이 되는 구리판을 접합하여 파워 모듈용 기판을 제작하였다.
회로층의 사이즈는 37 ㎜ × 37 ㎜, 절연 기판의 사이즈는 40 ㎜ × 40 ㎜, 금속층의 사이즈는 37 ㎜ × 37 ㎜ 로 하였다.
또한, 표 4 에 나타내는 「TLP」, 「Al-Si 납」은, 상기 서술한 실시예 1 및 표 2 와 동일한 접합 방법으로 하였다.
그리고, 상기 서술한 파워 모듈용 기판의 금속층의 타방의 면측에, 땜납재를 개재하여 히트 싱크를 접합하였다. 히트 싱크로서, 상기 서술한 실시예 1 과 동일하게, A3003 합금의 알루미늄판 (60 ㎜ × 70 ㎜ × 5 ㎜) 을 사용하였다.
Sn-Sb 계 땜납재를 사용하고, H2 분위기하에서 200 ℃ 에서 5 분간 유지한 후, 300 ℃ 에서 10 분간 유지함으로써 납땝을 실시하고, 그 후 N2 분위기로 치환 하고 냉각함으로써, 히트 싱크를 접합하였다. 또한, 히트 싱크의 접합면에는, Ni 도금막을 형성한 후, 납땜을 실시하였다. 또한, 비교예 11 에 있어서는, 금속층의 접합면에도 Ni 도금막을 형성한 후, 납땜을 실시하였다.
이와 같이 하여 얻어진 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 사용하여, 냉열 사이클 시험을 실시하였다. 냉열 사이클 조건은, 상기 서술한 실시예 1 과 동일하게 하고, 3000 회의 냉열 사이클을 부하하였다.
그리고, 접합 초기 및 3000 회의 냉열 사이클 부하 후에 있어서, 제 2 땜납층에 있어서의 접합률을 측정하였다. 평가 결과를 표 4 에 나타낸다.
Figure 112015091941217-pct00003
Figure 112015091941217-pct00004
회로층 및 금속층을 알루미늄판으로 구성한 비교예 11 에 있어서는, 냉열 사이클 후에 접합률이 크게 저하되어 있었다. 냉열 사이클에 의해 제 2 땜납층에 크랙이 발생했기 때문이라고 추측된다.
이에 대하여, 본 발명예 11 - 14 에 있어서는, 냉열 사이클 후에 있어서도 접합률이 크게 저하되지 않았다. 본 발명예 11 - 14 에 의하면, 제 2 땜납층에 있어서의 크랙의 발생을 억제할 수 있는 것이 확인되었다.
산업상 이용가능성
본 발명에 의하면, 회로층 상에 탑재된 전자 부품 등의 발열체로부터의 열의 방산을 촉진할 수 있어, 우수한 파워 사이클 특성을 가짐과 함께, 냉열 사이클 부하시에 있어서의 절연 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있어, 신뢰성을 높일 수 있다. 따라서, 본 발명은 산업상 이용 가능하다.
1, 101, 201 : 파워 모듈
3 : 반도체 소자 (전자 부품)
10, 110, 210, 310 : 파워 모듈용 기판
11, 111, 211 : 절연 기판
12, 112, 212, 312 : 회로층
12A, 112A, 212A, 312A : 제 1 알루미늄층
12B, 112B, 212B, 312B : 제 1 구리층
13, 113, 213 : 금속층
13A, 113A, 213A : 제 2 알루미늄층
13B, 113B : 제 2 구리층
40, 140, 240, 340 : 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판
41, 141, 241, 341 : 히트 싱크

Claims (5)

  1. 세라믹스로 이루어지는 절연 기판과, 상기 절연 기판의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 절연 기판의 타방의 면에 형성된 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판으로서,
    상기 회로층은, 상기 절연 기판의 일방의 면에 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 1 알루미늄층과, 상기 제 1 알루미늄층 중, 상기 절연 기판과는 반대측의 면에 고상 확산 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 1 구리층을 갖고,
    상기 금속층은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 2 알루미늄층을 가지고 있고,
    상기 회로층의 두께 (t1) 와 상기 금속층의 제 2 알루미늄층의 두께 (t2) 의 관계가 t1 ＜ t2 이고,
    상기 제 1 알루미늄층과 상기 제 1 구리층의 접합 계면에는, 복수의 금속간 화합물이 상기 접합 계면을 따라 적층된 구조의 금속간 화합물층이 형성되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층이, 상기 절연 기판의 타방의 면에 접합된 상기 제 2 알루미늄층과, 상기 제 2 알루미늄층 중, 상기 절연 기판과는 반대측의 면에 고상 확산 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 제 2 구리층을 갖고,
    상기 제 2 알루미늄층과 상기 제 2 구리층의 접합 계면에는, 복수의 금속간 화합물이 상기 접합 계면을 따라 적층된 구조의 금속간 화합물층이 형성되어 있는, 파워 모듈용 기판.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 회로층의 두께 (t1) 와 상기 금속층의 제 2 알루미늄층의 두께 (t2) 의 관계가,
    t2/t1 ≥ 1.5 인, 파워 모듈용 기판.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 상기 금속층측에 접합된 히트 싱크를 구비하는, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 상기 회로층 상에 탑재된 전자 부품을 구비하는, 파워 모듈.
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