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KR102419486B1 - 접합체, 파워 모듈용 기판, 접합체의 제조 방법 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법 - Google Patents

접합체, 파워 모듈용 기판, 접합체의 제조 방법 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법 Download PDF

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KR102419486B1
KR102419486B1 KR1020187023493A KR20187023493A KR102419486B1 KR 102419486 B1 KR102419486 B1 KR 102419486B1 KR 1020187023493 A KR1020187023493 A KR 1020187023493A KR 20187023493 A KR20187023493 A KR 20187023493A KR 102419486 B1 KR102419486 B1 KR 102419486B1
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KR
South Korea
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layer
intermetallic compound
ceramic substrate
compound layer
substrate
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KR20180104659A (ko
Inventor
노부유키 데라사키
요시유키 나가토모
Original Assignee
미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

본 발명의 접합체는, 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재의 접합체로서, 세라믹스 부재와 Cu 부재의 접합 계면에는, 세라믹스 부재측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, Cu 부재측에 위치하고, Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층과, 제 1 금속간 화합물층과 Cu-Sn 층의 사이에 위치하고, P 와 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층이 형성되어 있다.

Description

접합체, 파워 모듈용 기판, 접합체의 제조 방법 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법
이 발명은, 세라믹스 부재와 Cu 부재가 접합된 접합체, 및 세라믹스 기판에 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 판이 접합된 파워 모듈용 기판에 관한 것이다.
본원은, 2016 년 1 월 22 일에, 일본에 출원된 일본 특허출원 2016-010675호, 및 2017 년 1 월 5 일에, 일본에 출원된 일본 특허출원 2017-000381호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
LED 나 파워 모듈 등의 반도체 장치에 있어서는, 도전 재료로 이루어지는 회로층 위에 반도체 소자가 접합된 구조를 구비하고 있다.
풍력 발전, 전기 자동차 등의 전기 차량 등을 제어하기 위해서 사용되는 대전력 제어용의 파워 반도체 소자에 있어서는, 발열량이 많은 점에서, 이것을 탑재하는 기판으로서는, 예를 들어 AlN (질화알루미늄) 등으로 이루어지는 세라믹스 기판의 일방의 면에 도전성이 우수한 금속판을 회로층으로서 접합한 파워 모듈용 기판이, 종래부터 널리 사용되고 있다. 또, 세라믹스 기판의 타방의 면에, 금속판을 금속층으로서 접합하는 경우도 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에 나타내는 파워 모듈용 기판에 있어서는, 세라믹스 기판 (세라믹스 부재) 의 일방의 면에, Cu 판 (Cu 부재) 을 접합함으로써 회로층이 형성된 구조를 구비하고 있다. 이 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판의 일방의 면에, Cu-Mg-Ti 브레이징재를 개재시켜 Cu 판을 배치하고, 가열 처리를 실시함으로써 Cu 판이 접합되어 있다.
그런데, 특허문헌 1 에 개시된 바와 같이 Cu-Mg-Ti 브레이징재를 개재하여 세라믹스 기판과 Cu 판을 접합하면, 세라믹스 기판의 근방에는, Cu, Mg, 또는 Ti 를 포함하는 금속간 화합물이 형성된다.
이 세라믹스 기판 근방에 형성되는 금속간 화합물은, 단단하기 때문에, 파워 모듈용 기판에 냉열 사이클이 부하되었을 때에 세라믹스 기판에 발생하는 열응력이 커져, 세라믹스 기판에 크랙이 생기기 쉬워지는 문제가 있었다.
또, 세라믹스 기판과 회로층을 접합할 때에, 세라믹스 기판의 근방에 단단한 금속간 화합물이 형성되면, 세라믹스 기판과 회로층의 접합율이 저하되어, 양호하게 접합할 수 없는 우려가 있었다.
그래서, 예를 들어 특허문헌 2, 3 에는, 세라믹스 기판과 회로층을, Cu-P-Sn 계 브레이징재 및 Ti 재를 사용하여 접합한 파워 모듈용 기판이 제안되어 있다.
이들 특허문헌 2, 3 에 기재된 발명에 있어서는, 세라믹스 기판측에 Cu-Sn 층이 형성되어 있고, 세라믹스 기판의 근방에 단단한 금속간 화합물층이 배치 형성되지 않는 점에서, 냉열 사이클을 부하했을 때에 세라믹스 기판에 생기는 열응력을 저감할 수 있어, 세라믹스 기판에 크랙이 발생하는 것을 억제하는 것이 가능해진다.
특허공보 제4375730호 일본 공개특허공보 2015-043392호 일본 공개특허공보 2015-065423호
그런데, 최근에는, 파워 모듈용 기판에 탑재되는 반도체 소자의 발열 온도가 높아지는 경향이 있고, 파워 모듈용 기판에 있어서는, 종래보다 더 효율적으로 방열하는 것이 요구되고 있다.
여기서, 특허문헌 2 에 기재된 파워 모듈용 기판에 있어서는, 세라믹스 기판과 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 회로층의 사이에 Ti 층이 형성되어 있고, 이 Ti 층의 두께가 1 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하로 비교적 두껍게 형성되어 있다. 이 때문에, 적층 방향의 열저항이 높아져, 효율적으로 방열할 수 없게 될 우려가 있었다.
또, 특허문헌 3 에 기재된 파워 모듈용 기판에 있어서는, 세라믹스 기판과 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 회로층의 사이에, Cu-Sn 층과 P 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층이 형성되어 있지만, 사용 환경 온도가 높아지면 P 및 Ti 를 함유하는 금속간 화합물층을 기점으로 하여 크랙이 생겨, 접합이 불충분해질 우려가 있었다.
이 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 세라믹스 부재와 Cu 부재가 양호하게 접합되고, 또한, 적층 방향의 열저항이 낮아 효율적으로 방열하는 것이 가능한 접합체, 파워 모듈용 기판, 및, 이 접합체의 제조 방법, 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 양태인 접합체는, 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재의 접합체로서, 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재의 접합 계면에는, 상기 세라믹스 부재측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 Cu 부재측에 위치하고, Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층과, 상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 Cu-Sn 층의 사이에 위치하고, P 와 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 일 양태인 접합체에 의하면, 상기 Cu 부재측에 위치하고, Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층이 형성되어 있으므로, Cu 부재와 제 2 금속간 화합물층을 확실히 접합할 수 있고, 사용 환경 온도가 높아져도 Cu 부재와 세라믹스 부재의 접합 강도를 확보할 수 있다. 또, Ti 층이 형성되어 있지 않거나, 혹은 매우 얇기 때문에, 적층 방향에 있어서의 열저항을 낮게 억제할 수 있어 효율적으로 방열할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 양태인 접합체에 있어서는, 상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 제 2 금속간 화합물층의 사이에 Ti 층이 형성되어 있고, 이 Ti 층의 두께가 0.5 ㎛ 이하로 되어 있어도 된다.
이 경우, 상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 제 2 금속간 화합물층의 사이에 Ti 층이 형성되어 있지만, 이 Ti 층의 두께가 0.5 ㎛ 이하로 되어 있으므로, 적층 방향에 있어서의 열저항을 낮게 억제할 수 있어 효율적으로 방열할 수 있다.
또, 본 발명의 일 양태인 접합체에 있어서는, 상기 제 1 금속간 화합물층의 두께가 0.2 ㎛ 이상 6 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층의 두께가 0.2 ㎛ 이상으로 되어 있으므로, Cu 부재와 세라믹스 부재의 접합 강도를 확실히 향상시킬 수 있다. 한편, 제 1 금속간 화합물층의 두께가 6 ㎛ 이하로 되어 있으므로, 제 1 금속간 화합물층에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 양태인 접합체에 있어서는, 상기 제 2 금속간 화합물층의 두께가 0.5 ㎛ 이상 4 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, P 와 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층의 두께가 0.5 ㎛ 이상으로 되어 있으므로, Cu 부재와 세라믹스 부재의 접합 강도를 확실히 향상시킬 수 있다. 한편, 제 2 금속간 화합물층의 두께가 4 ㎛ 이하로 되어 있으므로, 제 2 금속간 화합물층에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판은, 상기 서술한 접합체로 이루어지고, 상기 세라믹스 부재로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 형성된 상기 Cu 부재로 이루어지는 회로층을 구비하고, 상기 세라믹스 기판과 상기 회로층의 접합 계면에는, 상기 세라믹스 기판측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 회로층측에 위치하고, Cu 와 Ti 를 갖는 제 1 금속간 화합물층과, 상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 Cu-Sn 층의 사이에 위치하고, P 와 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판에 의하면, 상기 회로층측에 Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층이 형성되어 있으므로, 회로층과 제 2 금속간 화합물층을 확실하게 접합할 수 있고, 사용 환경 온도가 높아져도 회로층과 세라믹스 기판의 접합 강도를 확보할 수 있다. 또, Ti 층이 형성되어 있지 않거나, 혹은, Ti 층이 형성되어 있어도 그 두께가 0.5 ㎛ 이하로 얇기 때문에, 적층 방향에 있어서의 열저항을 낮게 억제할 수 있어, 회로층 상에 탑재된 반도체 소자로부터의 열을 효율적으로 방열할 수 있다.
여기서, 상기 서술한 본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에, Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 금속층이 형성 되어 있어도 된다.
이 경우, 세라믹스 기판의 타방의 면에, 비교적 변형 저항이 작은 Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 금속층이 형성되어 있으므로, 파워 모듈용 기판에 응력이 부하되었을 경우에 금속층이 우선적으로 변형되고, 세라믹스 기판에 작용하는 응력을 저감할 수 있어, 세라믹스 기판의 균열을 억제할 수 있다.
또, 본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판은, 상기 서술한 접합체로 이루어지고, 상기 세라믹스 부재로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 형성된 상기 Cu 부재로 이루어지는 금속층을 구비하고, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속층의 접합 계면에는, 상기 세라믹스 기판측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 금속층측에 위치하고, Cu 와 Ti 를 갖는 제 1 금속간 화합물층과, 상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 Cu-Sn 층의 사이에 위치하고, P 와 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판에 의하면, 상기 금속층측에 Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층이 형성되어 있으므로, 금속층과 제 2 금속간 화합물층을 확실하게 접합할 수 있고, 사용 환경 온도가 높아져도 금속층과 세라믹스 기판의 접합 강도를 확보할 수 있다. 또, Ti 층이 형성되어 있지 않거나, 혹은, Ti 층이 형성되어 있어도 그 두께가 0.5 ㎛ 이하로 얇기 때문에, 적층 방향에 있어서의 열저항을 낮게 억제할 수 있어, 회로층 상에 탑재된 반도체 소자로부터의 열을 효율적으로 방열할 수 있다.
본 발명의 일 양태인 접합체의 제조 방법은, 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재의 접합체의 제조 방법으로서, Cu-P-Sn 계 브레이징재와 Ti 재를 개재하여, 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재를 적층하는 적층 공정과, 적층된 상태로 상기 Cu-P-Sn 계 브레이징재의 용융 개시 온도 미만의 온도에서 가열하고, 상기 Cu 부재와 상기 Ti 재를 반응시켜 Cu 와 Ti 를 갖는 제 1 금속간 화합물층을 형성하는 제 1 가열 처리 공정과, 상기 제 1 가열 처리 공정 후에, 상기 Cu-P-Sn 계 브레이징재의 용융 개시 온도 이상의 온도에서 가열하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 Cu-Sn 층의 사이에 위치하고, P 와 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층을 형성하는 제 2 가열 처리 공정을 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 접합체의 제조 방법에 의하면, 적층된 상태로 상기 Cu-P-Sn 계 브레이징재의 용융 개시 온도 미만의 온도에서 가열하고, 상기 Cu 부재와 상기 Ti 재를 반응시켜 Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층을 형성하는 제 1 가열 처리 공정을 구비하고 있으므로, 제 1 금속간 화합물층을 확실하게 형성하여, Cu 부재와 Ti 재를 확실하게 접합할 수 있다. 또한, 이 제 1 가열 처리 공정에서는 Ti 재의 일부를 잔존시킨다.
또한, 상기 제 1 가열 처리 공정 후에, 상기 Cu-P-Sn 계 브레이징재의 용융 개시 온도 이상의 온도에서 가열하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 Cu-Sn 층의 사이에 위치하고, P 와 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층을 형성하는 제 2 가열 처리 공정을 구비하고 있으므로, Ti 재의 Ti 를 Cu-P-Sn 계 브레이징재와 반응시킴으로써, 제 2 금속간 화합물층을 형성할 수 있어, Cu 부재와 세라믹스 부재를 확실하게 접합할 수 있다. 또한, 이 제 2 가열 처리 공정에서는, Ti 재의 전부를 반응시켜도 되고, 일부를 잔존시켜 두께 0.5 ㎛ 이하의 Ti 층을 형성해도 된다.
여기서, 상기 서술한 본 발명의 일 양태인 접합체의 제조 방법에 있어서는, 상기 제 1 가열 처리 공정에 있어서의 가열 온도가 580 ℃ 이상 670 ℃ 이하의 범위 내, 가열 시간이 30 분 이상 240 분 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 가열 온도가 580 ℃ 이상 및 가열 시간이 30 분 이상으로 되어 있으므로, 상기 제 1 금속간 화합물층을 확실하게 형성할 수 있다. 한편, 가열 온도가 670 ℃ 이하 및 가열 시간이 240 분 이하로 되어 있으므로, 상기 제 1 금속간 화합물층이 필요 이상으로 두껍게 형성되는 일이 없고, 제 1 금속간 화합물층에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있다.
또, 본 발명의 일 양태인 접합체의 제조 방법은, 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재의 접합체의 제조 방법으로서, 상기 Cu 부재와 상기 Ti 재를 적층한 상태로 가열하여 Cu 와 Ti 를 확산시키고, Cu 부재와 상기 Ti 재의 사이에 Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층을 형성하는 CuTi 확산 공정과, Cu-P-Sn 계 브레이징재를 개재하여, 상기 세라믹스 부재와, 상기 제 1 금속간 화합물층이 형성된 상기 Ti 재 및 상기 Cu 부재를 적층하는 적층 공정과, 상기 Cu-P-Sn 계 브레이징재의 용융 개시 온도 이상의 온도에서 가열하여, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 Cu-Sn 층의 사이에 위치하고, P 와 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층을 형성하는 가열 처리 공정을 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 접합체의 제조 방법에 의하면, 상기 Cu 부재와 상기 Ti 재를 적층한 상태로 가열하여 Cu 와 Ti 를 확산시키고, Cu 부재와 상기 Ti 재의 사이에 Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층을 형성하는 CuTi 확산 공정을 구비하고 있으므로, 제 1 금속간 화합물층을 확실하게 형성할 수 있다. 또한, 이 CuTi 확산 공정에서는 Ti 재의 일부를 잔존시킨다.
또, CuTi 확산 공정에서는, 브레이징재를 적층하는 일 없이 Cu 부재와 Ti 재를 적층하여 가열하고 있으므로, 가열 조건을 비교적 자유롭게 설정할 수 있고, 제 1 금속간 화합물층을 확실하게 형성할 수 있음과 함께, 잔존시키는 Ti 재의 두께를 정밀도 좋게 조정할 수 있다.
또한, Cu-P-Sn 계 브레이징재를 개재하여, 상기 세라믹스 부재와, 상기 제 1 금속간 화합물층이 형성된 상기 Ti 재 및 상기 Cu 부재를 적층하는 적층 공정, 상기 Cu-P-Sn 계 브레이징재의 용융 개시 온도 이상의 온도에서 가열하여, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 Cu-Sn 층의 사이에 위치하고, P 와 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층을 형성하는 가열 처리 공정을 구비하고 있으므로, Ti 재의 Ti 를 Cu-P-Sn 계 브레이징재와 반응시킴으로써, 제 2 금속간 화합물층을 형성할 수 있어, Cu 부재와 세라믹스 부재를 확실하게 접합할 수 있다. 또한, 이 제 2 가열 처리 공정에서는, Ti 재의 전부를 반응시켜도 되고, 일부를 잔존시켜 두께 0.5 ㎛ 이하의 Ti 층을 형성해도 된다.
여기서, 상기 서술한 본 발명의 일 양태인 접합체의 제조 방법에 있어서는, 상기 CuTi 확산 공정에 있어서의 가열 온도가 600 ℃ 이상 670 ℃ 이하의 범위 내, 가열 시간이 30 분 이상 360 분 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 가열 온도가 600 ℃ 이상 및 가열 시간이 30 분 이상으로 되어 있으므로, 상기 제 1 금속간 화합물층을 확실하게 형성할 수 있다. 한편, 가열 온도가 670 ℃ 이하 및 가열 시간이 360 분 이하로 되어 있으므로, 상기 제 1 금속간 화합물층이 필요 이상으로 두껍게 형성되는 일이 없고, 제 1 금속간 화합물층이 균열의 기점이 되는 것을 억제할 수 있다.
또, 상기 서술한 본 발명의 접합체의 제조 방법에 있어서는, 상기 CuTi 확산 공정에 있어서, 적층 방향의 하중이 0.294 MPa 이상 1.96 MPa 이하의 범위 내로 되어 있어도 된다.
이 경우, 하중이 0.294 MPa 이상 1.96 MPa 이하의 범위 내로 되어 있으므로, 상기 제 1 금속간 화합물층을 확실하게 형성할 수 있고, 접합 강도를 한층 더 높게 할 수 있다. 바람직하게는, 0.490 MPa 이상 1.47 MPa 이하, 보다 바람직하게는, 1.18 MPa 이상 1.47 MPa 이하의 범위 내로 하면 된다.
본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 세라믹스 기판의 일방의 면에 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 회로층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 세라믹스 기판과 상기 회로층을, 상기 서술한 접합체의 제조 방법에 의해 접합하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 회로층과 세라믹스 기판의 접합 계면에, 상기 세라믹스 기판측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 회로층측에 위치하고, Cu 와 Ti 를 갖는 제 1 금속간 화합물층과, 상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 Cu-Sn 층의 사이에 위치하고, P 와 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층을 형성할 수 있고, 회로층과 세라믹스 기판을 확실하게 접합할 수 있음과 함께, 적층 방향의 열저항이 낮아 효율적으로 방열하는 것이 가능한 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층이 배치 형성되고, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속층을, 상기 서술한 접합체의 제조 방법에 의해 접합하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 금속층과 세라믹스 기판의 접합 계면에, 상기 세라믹스 기판측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 회로층측에 위치하고, Cu 와 Ti 를 갖는 제 1 금속간 화합물층과, 상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 Cu-Sn 층의 사이에 위치하고, P 와 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층을 형성할 수 있고, 금속층과 세라믹스 기판을 확실하게 접합할 수 있음과 함께, 적층 방향의 열저항이 낮아 효율적으로 방열하는 것이 가능한 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 양태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 세라믹스 기판의 일방의 면에 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 회로층이 배치 형성되고, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 세라믹스 기판과 상기 회로층을, 상기 서술한 접합체의 제조 방법에 의해 접합하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 회로층과 세라믹스 기판의 접합 계면에, 상기 세라믹스 기판측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 회로층측에 위치하고, Cu 와 Ti 를 갖는 제 1 금속간 화합물층과, 상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 Cu-Sn 층의 사이에 위치하고, P 와 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층을 형성할 수 있고, 회로층과 세라믹스 기판을 확실하게 접합할 수 있음과 함께, 적층 방향의 열저항이 낮아 효율적으로 방열하는 것이 가능한 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.
또, 비교적 저온에서 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 회로층과 세라믹스 기판을 접합할 수 있으므로, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 회로층과 세라믹스 기판과, Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 금속층을 동시에 접합하는 것도 가능해진다.
본 발명에 의하면, 세라믹스 부재와 Cu 부재가 양호하게 접합되고, 또한, 적층 방향의 열저항이 낮은 접합체, 파워 모듈용 기판, 및, 이 접합체의 제조 방법, 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 제 1 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는, 본 발명의 제 1 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 3 은, 도 2 에 나타내는 파워 모듈용 기판의 회로층과 세라믹스 기판의 접합 계면에 있어서의 단면의 개략 설명도이다.
도 4 는, 본 발명의 제 1 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 5 는, 본 발명의 제 1 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 6 은, 본 발명의 제 2 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 7 은, 본 발명의 제 2 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 8 은, 도 7 에 나타내는 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층과 세라믹스 기판의 접합 계면에 있어서의 단면의 개략도이다.
도 9 는, 본 발명의 제 2 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 10 은, 본 발명의 제 2 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 11 은, 본 발명의 제 3 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 12 는, 본 발명의 제 3 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 13 은, 도 12 에 나타내는 파워 모듈용 기판의 회로층과 세라믹스 기판의 접합 계면에 있어서의 단면의 개략도이다.
도 14 는, 본 발명의 제 3 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 15 는, 본 발명의 제 3 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법 및 파워 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
(제 1 실시 형태)
이하에, 본 발명의 실시 형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 먼저, 본 발명의 제 1 실시 형태에 대해 설명한다.
본 실시 형태에 관련된 접합체는, 세라믹스 부재인 세라믹스 기판 (11) 과, Cu 부재인 Cu 판 (22) (회로층 (12)) 이 접합되어 이루어지는 파워 모듈용 기판 (10) 이다. 도 1 에, 본 실시 형태인 파워 모듈용 기판 (10) 을 구비한 파워 모듈 (1) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (1) 은, 회로층 (12) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (10) 과, 회로층 (12) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 접합층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 2 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (12) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄), Si3N4 (질화규소), Al2O3 (알루미나) 등의 세라믹스로 구성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 방열성이 우수한 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는, 0.2 ∼ 1.5 mm 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시 형태에서는, 0.635 mm 로 설정되어 있다.
회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에, 도전성을 갖는 Cu 또는 Cu 합금의 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다.
본 실시 형태에 있어서, 회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (24) 와, Ti 재 (25) 가 접합된 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (22) 을 적층하여 가열 처리하고, 세라믹스 기판 (11) 에 Cu 판 (22) 을 접합함으로써 형성되어 있다 (도 5 참조). 또한, 본 실시 형태에서는, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (24) 로서 Cu-P-Sn-Ni 브레이징재를 사용하고 있다.
여기서, 회로층 (12) 에 있어서 세라믹스 기판 (11) 측은, Sn 이 Cu 중에 확산된 구조가 되어 있다.
또한, 회로층 (12) 의 두께는 0.1 mm 이상 1.0 mm 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시 형태에서는, 0.3 mm 로 설정되어 있다.
도 3 에, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 계면의 개략 설명도를 나타낸다. 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 계면에는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 측에 위치하는 Cu-Sn 층 (14) 과, 회로층 (12) 측에 위치하고, Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층 (16) 과, 제 1 금속간 화합물층 (16) 과 Cu-Sn 층 (14) 의 사이에 위치하고, P 및 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층 (17) 이 형성되어 있다.
Cu-Sn 층 (14) 은, Sn 이 Cu 중에 고용된 층이다. 이 Cu-Sn 층 (14) 은, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (24) 에 포함되는 P 가, 제 2 금속간 화합물층 (17) 에 받아들여짐으로써 형성되는 층이다.
제 1 금속간 화합물층 (16) 은, 회로층 (12) 의 Cu 와 Ti 재 (25) 의 Ti 가 상호 확산됨으로써 형성되는 층이다. 여기서, Cu 와 Ti 의 확산은, 고상 확산으로 되어 있다.
구체적으로는, 제 1 금속간 화합물층 (16) 은, Cu4Ti 상, Cu3Ti2 상, Cu4Ti3 상, CuTi 상, CuTi2 상 중 어느 1 종 이상을 갖는다. 본 실시 형태에 있어서는, 제 1 금속간 화합물층 (16) 은, Cu4Ti 상, Cu3Ti2 상, Cu4Ti3 상, CuTi 상, CuTi2 상을 가지고 있다.
또, 본 실시 형태에 있어서는, 이 제 1 금속간 화합물층 (16) 의 두께는, 0.2 ㎛ 이상 6 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다.
제 2 금속간 화합물층 (17) 은, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (24) 에 포함되는 P 가, Ti 재 (25) 에 포함되는 Ti 와 결합함으로써 형성된다. 본 실시 형태에서는, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (24) 가 Ni 를 포함하고 있는 점에서, 이 제 2 금속간 화합물층 (17) 은, P-Ni-Ti 상, P-Ti 상, Cu-Ni-Ti 상 중 어느 1 종 이상을 가지고 있고, 구체적으로는, P-Ni-Ti 상으로 되어 있다.
또, 본 실시 형태에 있어서는, 이 제 2 금속간 화합물층 (17) 의 두께는, 0.5 ㎛ 이상 4 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다.
반도체 소자 (3) 는, Si 등의 반도체 재료로 구성되어 있다. 이 반도체 소자 (3) 와 회로층 (12) 은, 접합층 (2) 을 개재하여 접합되어 있다.
접합층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 되어 있다.
이하에, 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (10), 및 파워 모듈 (1) 의 제조 방법에 대해, 도 4 의 플로우도 및 도 5 를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (12) 이 되는 Cu 판 (22) 과 Ti 재 (25) 를 적층하고, 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태로 진공 가열로 내에 배치하여 가열하고, Cu 판 (22) 과 Ti 재 (25) 를 고상 확산 접합시켜, Cu-Ti 접합체 (27) 를 얻는다. (CuTi 확산 공정 S01).
또한, Ti 재 (25) 의 두께는, 0.4 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다. 여기서, Ti 재 (25) 는, 두께가 0.4 ㎛ 이상 1 ㎛ 미만의 경우에는 증착이나 스퍼터에 의해 성막하는 것이 바람직하고, 두께가 1 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 경우에는 박재를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, Ti 재 (25) 의 두께의 하한은 0.4 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.5 ㎛ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또, Ti 재 (25) 의 두께의 상한은 1.5 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.7 ㎛ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서는, Ti 재 (25) 로서 두께 1 ㎛, 순도 99.8 mass％ 의 Ti 박을 사용했다.
이 CuTi 확산 공정 S01 에 의해 얻어지는 Cu-Ti 접합체 (27) 에 있어서는, Ti 재 (25) 와 Cu 판 (22) 이 고상 확산 접합에 의해 접합되어, Cu 판 (22) 과 중간 Ti 층 (26) 의 적층 구조가 되어 있다. 여기서, 중간 Ti 층 (26) 과 Cu 판 (22) 의 사이에는, Cu 와 Ti 를 함유하는 중간 제 1 금속간 화합물층이 형성된다. 이 때, Ti 재 (25) 가 모두 중간 제 1 금속간 화합물층의 형성에 소비되지 않고, 그 일부가 잔존한다.
여기서, 본 실시 형태에서는, 중간 Ti 층 (26) 의 두께는, 0.1 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, 중간 Ti 층 (26) 의 두께의 하한은 0.2 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.4 ㎛ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또, 중간 Ti 층 (26) 의 두께의 상한은 1.5 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 1 ㎛ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 중간 제 1 금속간 화합물층의 두께는, 0.1 ㎛ 이상 6 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
또, CuTi 확산 공정 S01 에 있어서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도는 600 ℃ 이상 670 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간은 30 분 이상 360 분 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
여기서, CuTi 확산 공정 S01 에 있어서, 가열 온도를 600 ℃ 이상 및 가열 시간을 30 분 이상으로 함으로써 중간 제 1 금속간 화합물층을 충분히 형성하는 것이 가능해진다. 또, 가열 온도를 670 ℃ 이하 및 가열 시간을 360 분 이하로 함으로써 중간 제 1 금속간 화합물층이 필요 이상으로 두껍게 형성되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 가열 온도의 하한은 610 ℃ 이상으로 하는 것이 바람직하고 620 ℃ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 가열 온도의 상한은 650 ℃ 이하로 하는 것이 바람직하고 640 ℃ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또, 가열 시간의 하한은 15 분 이상으로 하는 것이 바람직하고 60 분 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 가열 시간의 상한은 120 분 이하로 하는 것이 바람직하고 90 분 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, Cu 판 (22) 과 Ti 재 (25) 를 한층 더 강고하게 접합하기 위해서는, CuTi 확산 공정 S01 에 있어서, 적층 방향에 대한 가압 하중을 0.294 MPa 이상 1.96 MPa 이하 (3 kgf/㎠ 이상 20 kgf/㎠ 이하) 의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 0.490 MPa 이상 1.47 MPa 이하, 더욱 바람직하게는, 1.18 MPa 이상 1.47 MPa 이하의 범위 내로 하면 된다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 5 에 있어서 상면) 에, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (24), Cu-Ti 접합체 (27) 를 순서대로 적층한다 (적층 공정 S02). 여기서, Cu-Ti 접합체 (27) 는, 중간 Ti 층 (26) 과 Cu-P-Sn 계 브레이징재 (24) 가 대향하도록 적층된다.
본 실시 형태에 있어서는, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (24) 의 조성은, Cu-7 mass％ P-15 mass％ Sn-10 mass％ Ni 로 되어 있고, 그 고상선 온도 (용융 개시 온도) 는 580 ℃ 로 되어 있다. 또, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (24) 는 박재를 이용하고, 그 두께는, 5 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11), Cu-P-Sn 계 브레이징재 (24), Cu-Ti 접합체 (27) 를 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태로, 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다 (가열 처리 공정 S03).
여기서, 본 실시 형태에서는, 가열 처리 공정 S03 에 있어서의 조건으로서, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도는 600 ℃ 이상 700 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간은 15 분 이상 120 분 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
이 가열 처리 공정 S03 에 있어서는, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (24) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상에 중간 Ti 층 (26) 이 용해되고, 액상이 응고됨으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (22) 이 접합된다. 이 때, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (24) 중에 포함되는 P 및 Ni 는, 중간 Ti 층 (26) 의 Ti 와 결합하여, 제 2 금속간 화합물층 (17) 이 형성됨과 함께, 세라믹스 기판 (11) 측에는 Cu-Sn 층 (14) 이 형성된다. 또한, 제 1 금속간 화합물층 (16) 은, 중간 제 1 금속간 화합물층이 잔존함으로써 형성된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 중간 Ti 층 (26) 의 두께가, 0.1 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있으므로, 이 중간 Ti 층 (26) 이 Cu-P-Sn 계 브레이징재 (24) 의 액상 중에 모두 용해되고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 계면에 있어서, 중간 Ti 층 (26) 이 잔존하지 않는다.
이로써, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 회로층 (12) 이 형성되고, 본 실시 형태인 파워 모듈용 기판 (10) 이 제조된다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (10) 의 회로층 (12) 의 상면에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S04).
이와 같이 하여, 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈 (1) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (10) 에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 계면에 있어서, 회로층 (12) 측에 위치하고, Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층 (16) 이 형성되어 있으므로, 이 제 1 금속간 화합물층 (16) 을 개재함으로써 회로층 (12) 과 제 2 금속간 화합물층 (17) 을 확실하게 접합할 수 있다. 따라서, 사용 환경 온도가 높아져도 회로층 (12) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 강도를 확보할 수 있다.
또, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 의 접합 계면에 Ti 층이 형성되어 있지 않기 때문에, 회로층 (12) 과 세라믹스 기판 (11) 의 적층 방향에 있어서의 열저항을 낮게 억제하는 것이 가능해져, 회로층 (12) 상에 탑재된 반도체 소자 (3) 로부터 발생하는 열을 효율적으로 방열할 수 있다.
또, 본 실시 형태에 있어서는, 제 1 금속간 화합물층 (16) 의 두께가 0.2 ㎛ 이상으로 되어 있으므로, 회로층 (12) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 강도를 확실하게 향상시킬 수 있다. 한편, 제 1 금속간 화합물층 (16) 의 두께가 6 ㎛ 이하로 되어 있으므로, 이 제 1 금속간 화합물층 (16) 에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 회로층 (12) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 강도를 확실하게 향상시키기 위해서는, 제 1 금속간 화합물층 (16) 의 두께의 하한을 0.5 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1 ㎛ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또, 제 1 금속간 화합물층 (16) 에 있어서의 균열의 발생을 확실하게 억제하기 위해서는, 제 1 금속간 화합물층 (16) 의 두께의 상한을 5 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 3 ㎛ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 제 1 금속간 화합물층 (16) 의 두께는, 가열 처리 공정 S03 에 있어서의 가열에 의해 Ti 의 확산이 진행되어, 중간 제 1 금속간 화합물층의 두께보다 두꺼워지는 경우도 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 제 2 금속간 화합물층 (17) 의 두께가 0.5 ㎛ 이상으로 되어 있으므로, 회로층 (12) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 강도를 확실하게 향상시킬 수 있다. 한편, 제 2 금속간 화합물층 (17) 의 두께가 4 ㎛ 이하로 되어 있으므로, 이 제 2 금속간 화합물층 (17) 에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 회로층 (12) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 강도를 확실하게 향상시키기 위해서는, 제 2 금속간 화합물층 (17) 의 두께의 하한을 1 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 2 ㎛ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또, 제 2 금속간 화합물층 (17) 에 있어서의 균열의 발생을 확실하게 억제하기 위해서는, 제 2 금속간 화합물층 (17) 의 두께의 상한을 3.5 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 3 ㎛ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또, 본 실시 형태의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서는, 회로층 (12) 이 되는 Cu 판 (22) 과 Ti 재 (25) 를 적층하고, 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태로 진공 가열로 내에 배치하여 가열하고, Cu 판 (22) 과 Ti 재 (25) 를 고상 확산 접합시켜, Cu-Ti 접합체 (27) 를 얻는 CuTi 확산 공정 S01 을 구비하고 있으므로, Cu 판 (22) 과 중간 Ti 층 (26) 의 사이에, Cu 와 Ti 를 함유하는 중간 제 1 금속간 화합물층을 확실하게 형성할 수 있다.
또, 중간 Ti 층 (26) 의 두께가, 0.1 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있으므로, 후공정의 가열 처리 공정 S03 에 있어서, 중간 Ti 층 (26) 과 Cu-P-Sn 계 브레이징재 (24) 를 반응시키는 것이 가능해진다.
또한, CuTi 확산 공정 S01 에 있어서는, Cu 판 (22) 과 Ti 재 (25) 를 적층하여 가열하고 있고, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (24) 를 적층하고 있지 않기 때문에, 가열 온도 및 가열 시간을 비교적 자유롭게 설정하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서는, 세라믹스 기판 (11), Cu-P-Sn 계 브레이징재 (24), Cu-Ti 접합체 (27) 를 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태로, 진공 가열로 내에 장입하여 가열하는 가열 처리 공정 S03 을 구비하고 있으므로, 중간 Ti 층 (26) 의 Ti 를 Cu-P-Sn 계 브레이징재 (24) 와 반응시킴으로써, 제 2 금속간 화합물층 (17) 을 형성할 수 있어, 회로층 (12) 과 세라믹스 기판 (11) 을 확실하게 접합할 수 있다.
여기서, 가열 처리 공정 S03 에 있어서, 가압되는 압력이 1 kgf/㎠ 이상의 경우, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu-P-Sn 계 브레이징재 (24) 의 액상을 밀착시킬 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu-Sn 층 (14) 을 양호하게 접합할 수 있다. 또, 가압되는 압력이 35 kgf/㎠ 이하의 경우, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이와 같은 이유이기 때문에, 본 실시 형태에서는, 가압되는 압력은 1 kgf/㎠ 이상 35 kgf/㎠ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
(제 2 실시 형태)
다음으로, 본 발명의 제 2 실시 형태에 대해 설명한다. 또한, 제 1 실시 형태와 동일한 구성인 것에 대해서는, 동일한 부호를 부여하여 기재하고, 상세한 설명을 생략한다.
도 6 에, 제 2 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (110) 을 구비한 파워 모듈 (101) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (101) 은, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (110) 과, 회로층 (112) 의 일방의 면 (도 6 에 있어서 상면) 에 접합층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 금속층 (113) 의 타방측 (도 6 에 있어서 하측) 에 배치된 히트 싱크 (130) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (110) 은, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 7 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (112) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 7 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (113) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 제 1 실시 형태와 마찬가지로, 방열성이 우수한 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다.
회로층 (112) 은, 제 1 실시 형태와 마찬가지로, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124), Ti 재 (25), 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (122) 을 순서대로 적층하여 가열 처리하고, 세라믹스 기판 (11) 에 Cu 판 (122) 을 접합함으로써 형성되어 있다 (도 10 참조).
또한, 회로층 (112) 의 두께는 0.1 mm 이상 1.0 mm 이하의 범위 내로 설정 되어 있고, 본 실시 형태에서는, 0.3 mm 로 설정되어 있다.
금속층 (113) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에, Cu 또는 Cu 합금의 금속판이, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124) 를 개재하여 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시 형태에 있어서, 금속층 (113) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124), Ti 재 (25), 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (123) 을 적층하여 가열 처리하고, 세라믹스 기판 (11) 에 Cu 판 (123) 을 접합함으로써 형성되어 있다 (도 10 참조).
이 금속층 (113) 의 두께는 0.1 mm 이상 1.0 mm 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시 형태에서는, 0.3 mm 로 설정되어 있다.
여기서, 본 실시 형태에서는, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124) 로서, 구체적으로는 Cu-P-Sn-Ni 브레이징재를 사용하고 있다.
도 8 에, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (112) (금속층 (113)) 의 접합 계면의 개략 설명도를 나타낸다. 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (112) (금속층 (113)) 의 접합 계면에는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 측에 위치하는 Cu-Sn 층 (14) 과, 회로층 (112) (금속층 (113)) 측에 위치하고, Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층 (16) 과, 제 1 금속간 화합물층 (16) 과 Cu-Sn 층 (14) 의 사이에 위치하고, P 및 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층 (17) 이 형성되어 있다.
여기서, 본 실시 형태에서는, 제 1 금속간 화합물층 (16) 과 제 2 금속간 화합물층 (17) 의 사이에, Ti 층 (15) 이 형성되어 있고, 이 Ti 층 (15) 의 두께가 0.5 ㎛ 이하로 되어 있다.
또, 본 실시 형태에 있어서는, 제 1 금속간 화합물층 (16) 의 두께는, 0.2 ㎛ 이상 6 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 제 2 금속간 화합물층 (17) 의 두께는, 0.5 ㎛ 이상 4 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다.
히트 싱크 (130) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (110) 으로부터의 열을 방산 한다. 이 히트 싱크 (130) 는, Cu 또는 Cu 합금으로 구성되어 있고, 본 실시 형태에서는 인탈산동으로 구성되어 있다. 이 히트 싱크 (130) 에는, 냉각용의 유체가 흐르기 위한 유로 (131) 가 형성되어 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 히트 싱크 (130) 와 금속층 (113) 이, 땜납재로 이루어지는 땜납층 (132) 에 의해 접합되어 있다.
이하에, 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈 (101) 의 제조 방법에 대해, 도 9 의 플로우도 및 도 10 을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 10 에 있어서 상면) 에, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124), Ti 재 (25), 및 회로층 (112) 이 되는 Cu 판 (122) 을 순서대로 적층함과 함께, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 10 에 있어서 하면) 에, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124), Ti 재 (25), 및 금속층 (113) 이 되는 Cu 판 (123) 을 순서대로 적층한다 (적층 공정 S101). 즉, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (122) 및 Cu 판 (123) 의 사이에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 측에 Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124) 를 배치하고, Cu 판 (122, 123) 측에 Ti 재 (25) 를 배치하고 있다.
본 실시 형태에 있어서는, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124) 의 조성은, Cu-6.3 mass％ P-9.3 mass％ Sn-7 mass％ Ni 로 되어 있고, 그 고상선 온도 (용융 개시 온도) 는 600 ℃ 로 되어 있다. 또, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124) 는 박재를 이용하고, 그 두께는, 5 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다.
또, Ti 재 (25) 의 두께는, 0.4 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다. 여기서, Ti 재 (25) 는, 두께가 0.4 ㎛ 이상 1 ㎛ 미만의 경우에는 증착이나 스퍼터에 의해 성막하는 것이 바람직하고, 두께가 1 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 경우에는 박재를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, Ti 재 (25) 의 두께의 하한은 0.4 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하고 0.5 ㎛ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. Ti 재 (25) 의 두께의 상한은 1.5 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.7 ㎛ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서는, Ti 재 (25) 로서 두께 1 ㎛, 순도 99.8 mass％ 의 Ti 박을 사용했다.
다음으로, Cu 판 (122), Ti 재 (25), Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124), 세라믹스 기판 (11), Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124), Ti 재 (25), 및 Cu 판 (123) 을, 적층 방향으로 가압 (압력 1 kgf/㎠ 이상 35 kgf/㎠ 이하) 한 상태로, 진공 가열로 내에 장입하고, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124) 의 용융 개시 온도 미만의 온도에서 가열한다 (제 1 가열 처리 공정 S102).
이 제 1 가열 처리 공정 S102 에 있어서는, Ti 재 (25) 와 Cu 판 (122) 및 Ti 재 (25) 와 Cu 판 (123) 이 고상 확산 접합에 의해 접합되고, Ti 재 (25) 와 Cu 판 (122) 의 사이 및 Ti 재 (25) 와 Cu 판 (123) 의 사이에 Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층 (16) 이 각각 형성된다.
여기서, 본 실시 형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도는 580 ℃ 이상 670 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간은 30 분 이상 240 분 이하의 범위 내로 설정하고 있다. 또한, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124) 의 용융을 확실하게 억제하기 위해서는, 제 1 가열 처리 공정 S102 에 있어서의 가열 온도는, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124) 의 용융 개시 온도 (고상선 온도) -10 ℃ 로 하는 것이 바람직하다.
제 1 가열 처리 공정 S102 에 있어서, 가열 온도를 580 ℃ 이상 및 가열 시간을 30 분 이상으로 함으로써 제 1 금속간 화합물층 (16) 을 충분히 형성하는 것이 가능해진다. 또, 가열 온도를 670 ℃ 이하 및 가열 시간을 240 분 이하로 함으로써 제 1 금속간 화합물층 (16) 이 필요 이상으로 두껍게 형성되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 가열 온도의 하한은 610 ℃ 이상으로 하는 것이 바람직하고 620 ℃ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 가열 온도의 상한은 650 ℃ 이하로 하는 것이 바람직하고 640 ℃ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또, 가열 시간의 하한은 15 분 이상으로 하는 것이 바람직하고 60 분 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 가열 시간의 상한은 120 분 이하로 하는 것이 바람직하고 90 분 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
다음으로, 제 1 가열 처리 공정 S102 후에, Cu 판 (122), Ti 재 (25), Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124), 세라믹스 기판 (11), Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124), Ti 재 (25), 및 Cu 판 (123) 을 적층 방향으로 가압 (압력 1 kgf/㎠ 이상 35 kgf/㎠ 이하) 한 상태로 Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124) 의 용융 개시 온도 이상의 온도에서 가열한다 (제 2 가열 처리 공정 S103). 여기서, 본 실시 형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도는 600 ℃ 이상 700 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간은 15 분 이상 120 분 이하의 범위 내로 설정하고 있다. 여기서, 제 2 가열 처리 공정 S103 에서는, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124) 를 확실하게 용융시키기 위해, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124) 의 고상선 온도 ＋10 ℃ 이상에서 가열하는 것이 바람직하다.
이 제 2 가열 처리 공정 S103 에 있어서는, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상에 Ti 재 (25) 가 용해되고, 액상이 응고됨으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (122) 및 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (123) 이 접합된다. 이 때, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124) 중에 포함되는 P 및 Ni 는, Ti 재 (25) 의 Ti 와 결합하여, 제 2 금속간 화합물층 (17) 이 형성됨과 함께, 세라믹스 기판 (11) 측에는 Cu-Sn 층 (14) 이 형성된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, Ti 재 (25) 의 일부가 Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124) 의 액상 중에 용해되지 않고 잔존하고, 제 1 금속간 화합물층 (16) 과 제 2 금속간 화합물층 (17) 의 사이에 Ti 층 (15) 이 형성된다.
이로써, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 회로층 (112) 이 형성됨과 함께, 타방의 면에 금속층 (113) 이 형성되어, 본 실시 형태인 파워 모듈용 기판 (110) 이 제조된다.
이어서, 파워 모듈용 기판 (110) 의 금속층 (113) 의 하면에, 땜납재를 개재하여 히트 싱크 (130) 를 접합한다 (히트 싱크 접합 공정 S104).
다음으로, 파워 모듈용 기판 (110) 의 회로층 (112) 의 상면에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S105).
이와 같이 하여, 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈 (101) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (110) 에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (112) 의 접합 계면 및 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (113) 의 접합 계면에 있어서, 회로층 (112) 측 및 금속층 (113) 측에 위치하고, Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층 (16) 이 형성되어 있으므로, 이 제 1 금속간 화합물층 (16) 을 개재함으로써 회로층 (112) 과 제 2 금속간 화합물층 (17) 및 금속층 (113) 과 제 2 금속간 화합물층 (17) 을 확실하게 접합할 수 있다. 따라서, 사용 환경 온도가 높아져도 회로층 (112) 과 세라믹스 기판 (11) 및 금속층 (113) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 강도를 확보할 수 있다.
또, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (112) 의 접합 계면 및 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (113) 의 접합 계면에, Ti 층 (15) 이 형성되어 있지만, 그 두께가 0.5 ㎛ 이하로 되어 있으므로, 회로층 (112) 과 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (113) 의 적층 방향에 있어서의 열저항을 낮게 억제하는 것이 가능해져, 회로층 (112) 상에 탑재된 반도체 소자 (3) 로부터 발생하는 열을 효율적으로 방열할 수 있다.
또, 본 실시 형태에 있어서는, 제 1 금속간 화합물층 (16) 의 두께가 0.2 ㎛ 이상으로 되어 있으므로, 회로층 (112) 과 세라믹스 기판 (11) 및 금속층 (113) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 강도를 확실하게 향상시킬 수 있다. 한편, 제 1 금속간 화합물층 (16) 의 두께가 6 ㎛ 이하로 되어 있으므로, 이 제 1 금속간 화합물층 (16) 에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 제 2 금속간 화합물층 (17) 의 두께가 0.5 ㎛ 이상으로 되어 있으므로, 회로층 (112) 과 세라믹스 기판 (11) 및 금속층 (113) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 강도를 확실하게 향상시킬 수 있다. 한편, 제 2 금속간 화합물층 (17) 의 두께가 4 ㎛ 이하로 되어 있으므로, 이 제 2 금속간 화합물층 (17) 에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있다.
또, 본 실시 형태의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서는, Cu 판 (122), Ti 재 (25), Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124), 세라믹스 기판 (11), Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124), Ti 재 (25), 및 Cu 판 (123) 을 적층 방향으로 가압 (압력 1 kgf/㎠ 이상 35 kgf/㎠ 이하) 한 상태로, 진공 가열로 내에 장입하고, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124) 의 용융 개시 온도 미만의 온도에서 가열하는 제 1 가열 처리 공정 S102 를 구비하고 있으므로, 회로층 (112) 이 되는 Cu 판 (122) 과 Ti 재 (25) 의 사이 및 금속층 (113) 이 되는 Cu 판 (123) 과 Ti 재 (25) 의 사이에, Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층 (16) 을 확실하게 형성할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 있어서는, 제 1 가열 처리 공정 S102 후에, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124) 의 용융 개시 온도 이상의 온도에서 가열하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층 (14) 과, 제 1 금속간 화합물층 (16) 과 Cu-Sn 층 (14) 의 사이에 위치하고, P 와 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층 (17) 을 형성하는 제 2 가열 처리 공정 S103 을 구비하고 있으므로, Ti 재 (25) 의 Ti 를 Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124) 와 반응시킴으로써, 제 2 금속간 화합물층 (17) 을 형성할 수 있어, 회로층 (112) 과 세라믹스 기판 (11) 및 금속층 (113) 과 세라믹스 기판 (11) 을 확실하게 접합할 수 있다.
여기서, 제 2 가열 처리 공정 S103 에 있어서, 가압되는 압력이 1 kgf/㎠ 이상의 경우, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu-P-Sn 계 브레이징재 (124) 의 액상을 밀착시킬 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu-Sn 층 (14) 을 양호하게 접합할 수 있다. 또, 가압되는 압력이 35 kgf/㎠ 이하의 경우, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이와 같은 이유이기 때문에, 본 실시 형태에서는, 가압되는 압력은 1 kgf/㎠ 이상 35 kgf/㎠ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.
또, 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (110) 의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 회로층 (112) 을, 타방의 면에 금속층 (113) 을 동시에 접합하는 구성으로 되어 있으므로, 제조 공정을 간략화하여, 제조 비용을 저감할 수 있다.
(제 3 실시 형태)
다음으로, 본 발명의 제 3 실시 형태에 대해 설명한다. 또한, 제 1 실시 형태와 동일한 구성인 것에 대해서는, 동일한 부호를 부여하여 기재하고, 상세한 설명을 생략한다.
도 11 에, 제 3 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (210) 을 구비한 파워 모듈 (201) 을 나타낸다.
이 파워 모듈 (201) 은, 회로층 (212) 및 금속층 (213) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (210) 과, 회로층 (212) 의 일방의 면 (도 11 에 있어서 상면) 에 접합층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 와, 파워 모듈용 기판 (210) 의 타방측 (도 11 에 있어서 하측) 에 접합된 히트 싱크 (230) 를 구비하고 있다.
파워 모듈용 기판 (210) 은, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 12 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (212) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 12 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (213) 을 구비하고 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 제 1 실시 형태와 마찬가지로, 방열성이 우수한 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다.
회로층 (212) 은, 제 1 실시 형태와 마찬가지로, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 Cu-P-Sn 계 브레이징재 (224), Ti 재 (25), 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (222) 을 적층하여 가열 처리하고, 세라믹스 기판 (11) 에 Cu 판 (222) 을 접합함으로써 형성되어 있다 (도 15 참조).
또한, 회로층 (212) 의 두께는 0.1 mm 이상 1.0 mm 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시 형태에서는, 0.3 mm 로 설정되어 있다.
여기서, 본 실시 형태에서는, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (224) 로서, 구체적으로는 Cu-P-Sn-Ni 브레이징재를 사용하고 있다.
그리고, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (212) 의 접합 계면에는, 도 13 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 측에 위치하는 Cu-Sn 층 (14) 과, 회로층 (212) 측에 위치하고, Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층 (16) 과, 제 1 금속간 화합물층 (16) 과 Cu-Sn 층 (14) 의 사이에 위치하고, P 및 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층 (17) 이 형성되어 있다.
또, 제 1 금속간 화합물층 (16) 과 제 2 금속간 화합물층 (17) 의 사이에, Ti 층 (15) 이 형성되어 있고, 이 Ti 층 (15) 의 두께가 0.5 ㎛ 이하로 되어 있다.
금속층 (213) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에, Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 Al 판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시 형태에 있어서, 금속층 (213) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에, 순도 99.99 mass％ 이상의 Al 판 (223) 을 접합함으로써 형성되어 있다 (도 15 참조).
이 금속층 (213) 의 두께는 0.1 mm 이상 3.0 mm 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시 형태에서는, 1.6 mm 로 설정되어 있다.
히트 싱크 (230) 는, Al 또는 Al 합금으로 구성되어 있고, 본 실시 형태에서는 A6063 (Al 합금) 으로 구성되어 있다. 이 히트 싱크 (230) 에는, 냉각용의 유체가 흐르기 위한 유로 (231) 가 형성되어 있다. 또한, 이 히트 싱크 (230) 와 금속층 (213) 이, Al-Si 계 브레이징재에 의해 접합되어 있다.
다음으로, 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈 (201) 의 제조 방법에 대해, 도 14 의 플로우도 및 도 15 를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 15 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (212) 이 되는 Cu 판 (222) 과 Ti 재 (25) 를 적층하고, 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태로 진공 가열로 내에 배치하여 가열하고, Cu 판 (222) 과 Ti 재 (25) 를 고상 확산 접합시켜, Cu-Ti 접합체 (227) 를 얻는다. (CuTi 확산 공정 S201).
또한, Ti 재 (25) 의 두께는, 0.4 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다. 여기서, Ti 재 (25) 는, 두께가 0.4 ㎛ 이상 1 ㎛ 미만의 경우에는 증착이나 스퍼터에 의해 성막하는 것이 바람직하고, 두께가 1 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 경우에는 박재를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, Ti 재 (25) 의 두께의 하한은 0.4 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.5 ㎛ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또, Ti 재 (25) 의 두께의 상한은 1.5 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.7 ㎛ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서는, Ti 재 (25) 로서 두께 1.4 ㎛, 순도 99.8 mass％ 의 Ti 박을 사용했다.
또, CuTi 확산 공정 S201 에 있어서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도는 600 ℃ 이상 670 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간은 30 분 이상 360 분 이하의 범위 내로 설정하고 있다. 여기서, CuTi 확산 공정 S201 에 있어서, 가열 온도를 600 ℃ 이상 및 가열 시간을 30 분 이상으로 함으로써 중간 제 1 금속간 화합물층을 충분히 형성하는 것이 가능해진다. 또, 가열 온도를 655 ℃ 이하 및 가열 시간을 360 분 이하로 함으로써 중간 제 1 금속간 화합물층이 필요 이상으로 두껍게 형성되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 가열 온도의 하한은 610 ℃ 이상으로 하는 것이 바람직하고 620 ℃ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 가열 온도의 상한은 650 ℃ 이하로 하는 것이 바람직하고 640 ℃ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또, 가열 시간의 하한은 15 분 이상으로 하는 것이 바람직하고 60 분 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 가열 시간의 상한은 120 분 이하로 하는 것이 바람직하고 90 분 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, Cu 판 (222) 과 Ti 재 (25) 를 한층 더 강고하게 접합하기 위해서는, CuTi 확산 공정 S201 에 있어서, 적층 방향에 대한 가압 하중을 0.294 MPa 이상 1.96 MPa 이하 (3 kgf/㎠ 이상 20 kgf/㎠ 이하) 의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 0.490 MPa 이상 1.47 MPa 이하, 더욱 바람직하게는, 1.18 MPa 이상 1.47 MPa 이하의 범위 내로 하면 된다.
이 CuTi 확산 공정 S201 에 의해 얻어지는 Cu-Ti 접합체 (227) 에 있어서는, Ti 재 (25) 와 Cu 판 (222) 이 고상 확산 접합에 의해 접합되어, Cu 판 (222) 과 중간 Ti 층 (26) 의 적층 구조가 되어 있다. 여기서, 중간 Ti 층 (26) 과 Cu 판 (222) 의 사이에는, Cu 와 Ti 를 함유하는 중간 제 1 금속간 화합물층이 형성된다. 이 때, Ti 재 (25) 가 모두 중간 제 1 금속간 화합물층의 형성에 소비되지 않고, 그 일부가 잔존한다.
여기서, 본 실시 형태에서는, 중간 Ti 층 (26) 의 두께는, 0.1 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또한, 중간 Ti 층 (26) 의 두께의 하한은 0.2 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.4 ㎛ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또, 중간 Ti 층 (26) 의 두께의 상한은 1.5 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.7 ㎛ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 중간 제 1 금속간 화합물층의 두께는, 0.1 ㎛ 이상 6 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 15 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 15 에 있어서 상면) 에, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (224), Ti 재 (25) 및 Cu 판 (222) 을 순서대로 적층함과 함께, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 14 에 있어서 하면) 에, 접합재 (241) 를 개재하여 금속층 (213) 이 되는 Al 판 (223) 을 순서대로 적층한다. 그리고, 추가로 Al 판 (223) 의 하측에, 접합재 (242) 를 개재하여 히트 싱크 (230) 를 적층한다 (적층 공정 S202). 여기서, Cu-Ti 접합체 (227) 는, 중간 Ti 층 (26) 과 Cu-P-Sn 계 브레이징재 (224) 가 대향하도록 적층된다.
본 실시 형태에 있어서는, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (224) 의 조성은, Cu-7 mass％ P-15 mass％ Sn-10 mass％ Ni 로 되어 있고, 그 용융 개시 온도 (고상선 온도) 는 580 ℃ 로 되어 있다. 또, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (224) 는 박재를 이용하고, 그 두께는, 5 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다.
또, 접합재 (241, 242) 로서는, 본 실시 형태에서는, 융점 강하 원소인 Si 를 함유한 Al-Si 계 브레이징재로 되어 있고, 제 3 실시 형태에 있어서는, Al-7.5 mass％ Si 브레이징재를 사용하고 있다.
다음으로, 세라믹스 기판 (11), Cu-P-Sn 계 브레이징재 (224), Cu-Ti 접합체 (227), 접합재 (241), Al 판 (223), 접합재 (242), 및 히트 싱크 (230) 를 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태로, 진공 가열로 내에 장입하여 가열한다 (가열 처리 공정 S203). 여기서, 본 실시 형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-6 Pa 이상 10-3 Pa 이하의 범위 내로, 가열 온도는 600 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로, 가열 시간은 30 분 이상 240 분 이하의 범위 내로 설정하고 있다.
이 가열 처리 공정 S203 에 있어서는, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (224) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상에 중간 Ti 층 (26) 이 용해되어, 액상이 응고됨으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 Cu 판 (222) 이 접합된다. 이 때, Cu-P-Sn 계 브레이징재 (224) 중에 포함되는 P 및 Ni 는, 중간 Ti 층 (26) 의 Ti 와 결합하여, 제 2 금속간 화합물층 (17) 이 형성됨과 함께, 세라믹스 기판 (11) 측에는 Cu-Sn 층 (14) 이 형성된다. 또한, 제 1 금속간 화합물층 (16) 은, 중간 제 1 금속간 화합물층이 잔존함으로써 형성된다.
본 실시 형태에 있어서는, 중간 Ti 층 (26) 의 두께가, 0.1 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있으므로, 이 중간 Ti 층 (26) 이 Cu-P-Sn 계 브레이징재 (224) 의 액상 중에 모두가 용해되지 않고, 일부가 잔존하여, Ti 층 (15) 이 형성된다. 그러나, Ti 층 (15) 의 두께가 0.5 ㎛ 이하로 얇게 형성되어 있는 점에서, 회로층 (212) 과 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (213) 의 적층 방향에 있어서의 열저항을 낮게 억제하는 것이 가능해져, 회로층 (212) 상에 탑재된 반도체 소자 (3) 로부터 발생하는 열을 효율적으로 방열할 수 있다.
또한, 제 1 금속간 화합물층 (16) 의 두께는, 가열 처리 공정 S203 에 있어서의 가열에 의해 Ti 의 확산이 진행되어, 중간 제 1 금속간 화합물층의 두께보다 두꺼워지는 경우도 있다. 또, Ti 층 (15) 의 두께는, 가열 처리 공정 S203 에 있어서의 가열에 의해 Ti 의 확산이 진행되어, 중간 Ti 층 (26) 의 두께보다 얇아지는 경우도 있다.
또, 가열 처리 공정 S203 에 있어서는, 접합재 (241) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상이 응고됨으로써, 접합재 (241) 를 개재하여 세라믹스 기판 (11) 과 Al 판 (223) 이 접합된다. 또한, 가열 처리 공정 S203 에 있어서는, 접합재 (242) 가 용융되어 액상을 형성하고, 이 액상이 응고됨으로써, 접합재 (242) 를 개재하여 Al 판 (223) 과 히트 싱크 (230) 가 접합된다.
이로써, 본 실시 형태인 파워 모듈용 기판 (210) 이 제조된다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (210) 의 회로층 (212) 의 상면에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 접합한다 (반도체 소자 접합 공정 S204).
이와 같이 하여, 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈 (201) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (210) 에 있어서는, 제 1 실시 형태 및 제 2 실시 형태에서 설명한 파워 모듈용 기판 (10, 110) 과 동일한 효과를 발휘한다.
또, 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (210) 에 있어서는, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 Al 판 (223) 이 접합되어 이루어지는 금속층 (213) 이 형성되어 있으므로, 반도체 소자 (3) 로부터의 열을, 금속층 (213) 을 개재하여 효율적으로 방산할 수 있다. 또, Al 은 비교적 변형 저항이 낮기 때문에, 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 파워 모듈용 기판 (210) 과 히트 싱크 (230) 의 사이에 생기는 열응력을 금속층 (213) 에 의해 흡수하여, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또, 본 실시 형태에 관련된 파워 모듈용 기판 (210) 의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 회로층 (212) 을, 타방의 면에 금속층 (213) 을 동시에 접합하는 구성으로 되어 있으므로, 제조 공정을 간략화하여, 제조 비용을 저감할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 일은 없고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
예를 들어, 본 실시 형태에서는, 절연 회로 기판에 반도체 소자를 탑재하여 파워 모듈을 구성하는 것으로서 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없다. 예를 들어, 절연 회로 기판의 회로층에 LED 소자를 탑재하여 LED 모듈을 구성해도 되고, 절연 회로 기판의 회로층에 열전 소자를 탑재하여 열전 모듈을 구성해도 된다.
또, 제 2 실시 형태 및 제 3 실시 형태에 있어서는, 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층을, 타방의 면에 금속층을 동시에 접합하는 경우에 대해 설명했지만, 회로층과 금속층을 따로 따로 접합해도 된다.
또, 제 3 실시 형태에 있어서, 회로층, 금속층, 및 히트 싱크를 동시에 접합하는 경우에 대해 설명했지만, 회로층과 금속층을 세라믹스 기판에 접합한 후에, 금속층과 히트 싱크를 접합하는 구성으로 해도 된다.
또, 제 3 실시 형태에 있어서, 세라믹스 기판의 타방의 면에 Al-Si 계 브레이징재를 개재하여 금속층을 접합하는 경우에 대해 설명했지만, 과도 액상 접합법 (TLP) 이나 Ag 페이스트 등에 의해 접합해도 된다.
또, 제 2 실시 형태 및 제 3 실시 형태에서는, 유로가 형성된 히트 싱크를 사용하는 경우에 대해 설명했지만, 방열판으로 불리는 판상의 것이나, 핀상 핀을 갖는 것으로 해도 된다.
또, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크를 땜납재 또는 브레이징재로 접합하는 경우에 대해 설명했지만, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크의 사이에 그리스를 개재하여 나사 고정 등에 의해 고정시키는 구성으로 되어도 된다.
또, 제 2 실시 형태 및 제 3 실시 형태의 파워 모듈용 기판에 있어서, 파워 모듈용 기판의 타방의 면측에 히트 싱크가 접합되어 있지 않아도 된다.
또한, 제 1 실시 형태, 제 2 실시 형태 및 제 3 실시 형태에서는, Ti 재로서 Ti 박을 사용하는 경우 또는 증착이나 스퍼터로 Ti 재를 형성하는 경우에 대해 설명했지만, Cu 부재의 일방의 면에 Ti 를 배치 형성한 Cu 부재/Ti 클래드재를 사용할 수도 있다. 이 경우, Cu 부재/Ti 클래드재를 미리 가열함으로써 Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층을 형성해도 되고, 제 1 가열 처리 공정에서 Cu 부재/Ti 클래드재의 내부에 제 1 금속간 화합물층을 형성해도 된다.
또한, Ti 재의 일방의 면에 Cu-P-Sn 계 브레이징재를 배치 형성한 Ti 재/브레이징재 클래드재나, Cu 부재, Ti 재, Cu-P-Sn 계 브레이징재의 순서대로 적층된 Cu 부재/Ti 재/브레이징재 클래드를 사용할 수 있다.
또, 상기 실시 형태에서는, Cu-P-Sn 계 브레이징재의 박재를 사용한 것을 예로 들어 설명했지만, 이것으로 한정되는 일은 없고, 분말이나 페이스트를 사용할 수도 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는 Cu-P-Sn 계 브레이징재로서 Cu-P-Sn-Ni 브레이징재나 Cu-P-Sn 브레이징재를 사용하는 것으로서 설명했지만, 그 밖의 Cu-P-Sn 계 브레이징재를 사용해도 된다. 이하에, 본 발명의 접합체의 제조 방법에 적절한 Cu-P-Sn 계 브레이징재에 대해 상세하게 설명한다.
Cu-P-Sn 계 브레이징재의 P 의 함유량은, 3 mass％ 이상 10 mass％ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
P 는, 브레이징재의 용융 개시 온도를 저하시키는 작용 효과를 갖는 원소이다. 또, 이 P 는, P 가 산화됨으로써 발생하는 P 산화물에 의해, 브레이징재 표면을 덮음으로써 브레이징재의 산화를 방지함과 함께, 용융된 브레이징재의 표면을 유동성이 좋은 P 산화물이 덮음으로써 브레이징재의 젖음성을 향상시키는 작용 효과를 갖는 원소이다.
P 의 함유량이 3 mass％ 미만에서는, 브레이징재의 용융 개시 온도를 저하시키는 효과가 충분히 얻어지지 않고 브레이징재의 용융 개시 온도가 상승하거나, 브레이징재의 유동성이 부족하여, 세라믹스 기판과 회로층의 접합성이 저하되거나 할 우려가 있다. 또, P 의 함유량이 10 mass％ 초과에서는, 무른 금속간 화합물이 많이 형성되어, 세라믹스 기판과 회로층의 접합성이나 접합 신뢰성이 저하될 우려가 있다.
이와 같은 이유에서 Cu-P-Sn 계 브레이징재에 포함되는 P 의 함유량은, 3 mass％ 이상 10 mass％ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
또, Cu-P-Sn 계 브레이징재의 Sn 의 함유량은, 0.5 mass％ 이상 25 mass％ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.
Sn 은, 브레이징재의 용융 개시 온도를 저하시키는 작용 효과를 갖는 원소이다. Sn 의 함유량이 0.5 mass％ 이상에서는, 브레이징재의 용융 개시 온도를 확실하게 낮게 할 수 있다. 또, Sn 의 함유량이 25 mass％ 이하에서는, 브레이징재의 저온 취화를 억제할 수 있고, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 이유에서 Cu-P-Sn 계 브레이징재에 포함되는 Sn 의 함유량은, 0.5 mass％ 이상 25 mass％ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
또, Cu-P-Sn 계 브레이징재는, Ni, Cr, Fe, Mn 중 어느 1 종 또는 2 종 이상을 2 mass％ 이상 20 mass％ 이하 함유하고 있어도 된다.
Ni, Cr, Fe, Mn 은, 세라믹스 기판과 브레이징재의 계면에 P 를 함유하는 금속간 화합물이 형성되는 것을 억제하는 작용 효과를 갖는 원소이다.
Ni, Cr, Fe, Mn 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 함유량이 2 mass％ 이상에서는, 세라믹스 기판과 브레이징재의 접합 계면에 P 를 함유하는 금속간 화합물이 형성되는 것을 억제할 수 있고, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 신뢰성이 향상된다. 또, Ni, Cr, Fe, Mn 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 함유량이 20 mass％ 이하에서는, 브레이징재의 용융 개시 온도가 상승하는 것을 억제하고, 브레이징재의 유동성이 저하되는 것을 억제하여, 세라믹스 기판과 회로층의 접합성을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 이유에서 Cu-P-Sn 계 브레이징재에 Ni, Cr, Fe, Mn 중 어느 1 종 또는 2 종 이상을 함유시키는 경우, 그 함유량은 2 mass％ 이상 20 mass％ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
실시예
＜실시예 1＞
이하에, 본 발명의 효과를 확인하기 위하여 실시한 확인 실험의 결과에 대해 설명한다.
(본 발명예 1 ∼ 3, 12, 14 ∼ 15 (가열 방식 ： A))
표 1 에 기재된 세라믹스 기판 (40 mm × 40 mm, AlN 및 Al2O3 의 경우에는 두께 0.635 mm, Si3N4 의 경우에는 두께 0.32 mm) 의 일방의 면 및 타방의 면에 표 1 에 나타내는 Cu-P-Sn 계 브레이징재박, Ti 재, 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (두께 ： 0.3 mm) 을 순서대로 적층하고, 적층 방향으로 15 kgf/㎠ 의 하중을 부가했다.
그리고, 진공 가열로 내 (압력 ： 10-4 Pa) 에 전술한 적층체를 장입하고, 제 1 가열 처리 공정으로서, 표 1 에 기재된 온도와 시간 (가열 처리 1 의 란) 으로 가열했다. 그 후, 제 2 가열 처리 공정으로서, 표 2 에 기재된 온도와 시간 (가열 처리 2 의 란) 으로 가열함으로써, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에 Cu 판을 접합하고, 회로층 및 금속층을 형성하여, 파워 모듈용 기판을 얻었다.
또한, 회로층용의 Cu 판의 크기는, 후술하는 90 °필 강도 시험용으로 44 mm × 25 mm (단, 세라믹스 기판의 단부로부터 5 mm 돌출되어 있다), 열저항 시험용으로 37 mm × 37 mm 로 하여, 각각 제작했다. 금속층용의 Cu 판의 크기는, 37 mm × 37 mm 로 했다.
(본 발명예 4 ∼ 11, 13 (가열 방식 ： B))
먼저, CuTi 확산 공정으로서, 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (두께 ： 0.3 mm) 과 표 1 에 기재된 Ti 재를 적층하고, 적층 방향으로 압력 15 kgf/㎠ 로 가압한 상태로 진공 가열로 내 (압력 ： 10-4 Pa) 에 장입하고, 표 1 에 기재된 온도와 시간 (가열 처리 1 의 란) 으로 가열하여, Cu-Ti 접합체를 얻었다. 또한, Cu-Ti 접합체는 회로층용과 금속층용의 각각을 준비했다.
다음으로, 표 1 에 기재된 세라믹스 기판 (40 mm × 40 mm, AlN 및 Al2O3 의 경우에는 두께 0.635 mm, Si3N4 의 경우에는 두께 0.32 mm) 의 일방의 면 및 타방의 면에 표 1 에 나타내는 Cu-P-Sn 계 브레이징재박, Cu-Ti 접합체를 순서대로 적층한다.
그리고, 표 2 에 기재된 온도와 시간 (가열 처리 2 의 란) 으로 가열하여, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에 Cu 판을 접합하고, 회로층 및 금속층을 형성하여, 파워 모듈용 기판을 제작했다. 회로층용 및 금속층용의 Cu 판의 크기는, 전술과 동일하게 했다.
(종래예 1, 2)
표 1 에 기재된 세라믹스 기판 (40 mm × 40 mm × 0.635 mmt) 의 일방의 면 및 타방의 면에 표 1 에 나타내는 Cu-P-Sn 계 브레이징재박, Ti 재, 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (두께 ： 0.3 mm) 을 순서대로 적층하고, 적층 방향으로 15 kgf/㎠ 의 하중을 부가했다.
그리고, 진공 가열로 내 (압력 ： 10-4 Pa) 에 전술한 적층체를 장입하고, 제 2 가열 처리 공정으로서, 표 2 에 기재된 온도와 시간 (가열 처리 2 의 란) 으로 가열함으로써, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에 Cu 판을 접합하고, 회로층 및 금속층을 형성하여, 파워 모듈용 기판을 얻었다. 회로층용 및 금속층용의 Cu 판의 크기는, 본 발명예와 동일하게 했다.
상기 서술한 바와 같이 하여 얻어진 파워 모듈용 기판에 대해, 회로층과 세라믹스 기판의 90 °필 강도, 적층 방향의 열저항을 평가했다.
또, 얻어진 파워 모듈용 기판에 대해, 세라믹스 기판과 회로층의 접합 계면에 있어서, 제 1 금속간 화합물층, Ti 층, 제 2 금속간 화합물층의 두께를 평가했다. 또한, 가열 처리 1 후의 중간 제 1 금속간 화합물층, 중간 Ti 층의 두께를 평가했다.
(90 °필 강도 시험)
각 파워 모듈용 기판에 있어서, 150 ℃ 에서 500 시간 방치 후, 회로층 중 세라믹스 기판으로부터 돌출된 부분을 90 °접어 구부려, 세라믹스 기판과 수직 방향으로 회로층을 인장하고, 회로층이 세라믹스 기판으로부터 박리될 때까지의 최대의 인장 하중을 측정했다. 이 하중을 접합 길이로 나눈 값을 90 °필 강도로 하여, 표 2 에 기재했다. 본 실시예에서의 접합 길이는, 회로층과 세라믹스 기판이 접합한 부분에 있어서의, 회로층의 장변의 길이 (39 mm) 로 했다.
(열저항 시험)
히터 칩 (13 mm × 10 mm × 0.25 mm) 을 회로층의 표면에 납땜하여, 세라믹스 기판을 냉각기에 적층했다. 다음으로, 히터 칩을 100 W 의 전력으로 가열하고, 열전쌍을 사용하여 히터 칩의 온도를 실측했다. 또, 냉각기를 유통하는 냉각 매체 (에틸렌글리콜 ： 물 = 9 ： 1) 의 온도를 실측했다. 그리고, 히터 칩의 온도와 냉각 매체의 온도차를 전력으로 나눈 값을 열저항으로 하고, 본 발명예 1 을 1.00 으로 하여 상대 평가했다. 평가 결과를 표 2 에 나타낸다.
(중간 제 1 금속간 화합물층, 중간 Ti 층, 제 1 금속간 화합물층, Ti 층 및 제 2 금속간 화합물층의 두께)
제 1 금속간 화합물층, Ti 층 및 제 2 금속간 화합물층의 두께는, Cu 판/세라믹스 기판 계면의 EPMA 로부터, 배율 10000 배의 시야 (세로 30 ㎛, 가로 40 ㎛) 에 있어서, 접합 계면에 형성된 제 1 금속간 화합물층의 총 면적, Ti 층의 면적 및 제 2 금속간 화합물층의 총 면적을 측정하고, 측정 시야의 폭의 치수로 나누어 구하고, 5 시야의 평균을 제 1 금속간 화합물층, Ti 층 및 제 2 금속간 화합물층의 두께로 했다.
중간 제 1 금속간 화합물층 및 중간 Ti 층은, 전술한 가열 방식 B 로 제작한 Cu-Ti 접합체의 Cu 와 Ti 의 접합 계면에 대해, EPMA 로부터, 배율 10000 배의 시야 (세로 30 ㎛, 가로 40 ㎛) 에 있어서, 접합 계면에 형성된 중간 제 1 금속간 화합물층의 총 면적, 중간 Ti 층의 면적의 총 면적을 측정하고, 측정 시야의 폭의 치수로 나누어 구하고, 5 시야의 평균을 중간 제 1 금속간 화합물층, 중간 Ti 층의 두께로 했다.
또한, Ti 농도가 15 at％ ∼ 70 at％ 의 범위 내인 영역을 제 1 금속간 화합물층 및 중간 제 1 금속간 화합물층으로 간주하고, 고용체는 포함하지 않는 것으로 한다.
또, 제 2 금속간 화합물층은, 적어도 P 와 Ti 를 포함하고, P 농도가 28 at％ ∼ 52 at％ 의 범위 내의 영역으로 한다.
평가 결과를 표 1 및 표 2 에 나타낸다.
Figure 112018080501715-pct00001
Figure 112018080501715-pct00002
Ti 층이 두껍게 형성된 종래예 1 에 있어서는, 90 °필 강도는 높지만, 적층 방향의 열저항이 높아져 있는 것이 확인되었다. 또, Ti 층이 확인되지 않은 종래예 2 에서는, 제 1 금속간 화합물층이 형성되지 않고, 90 °필 강도가 낮은 것이 확인되었다.
이에 대해, 본 발명예 1 ∼ 15 에서는, 90 °필 강도가 높고, 열저항이 낮은 파워 모듈용 기판이 얻어지는 것이 확인되었다.
＜실시예 2＞
다음으로, 한층 더 엄격한 필 강도 시험을 실시했다.
먼저, CuTi 확산 공정으로서 무산소동으로 이루어지는 Cu 판 (두께 ： 0.3 mm) 과 두께 3 mm 의 Ti 재를 적층하고, 표 3 에 나타내는 압력으로 적층 방향으로 가압한 상태로 진공 가열로 내 (압력 ： 10-4 Pa) 에 장입하고, 표 3 에 기재된 온도와 시간 (가열 처리 1 의 란) 으로 가열하여, Cu-Ti 접합체를 얻었다. 또한, Cu-Ti 접합체는 회로층용과 금속층용의 각각을 준비했다.
다음으로, 표 3 에 기재된 세라믹스 기판 (40 mm × 40 mm, AlN 및 Al2O3 의 경우에는 두께 0.635 mm, Si3N4 의 경우에는 두께 0.32 mm) 의 일방의 면 및 타방의 면에 Cu-6.3 mass％ P-9.3 mass％ Sn-7.0 mass％ Ni 브레이징재박 (융점 600 ℃), Cu-Ti 접합체를 순서대로 적층했다.
그리고, 가열 처리 2 로서 650 ℃ 에서 60 min 의 조건으로 가열하여, 세라믹스 기판의 일방의 면 및 타방의 면에 Cu 판을 접합하고, 회로층 및 금속층을 형성하여, 파워 모듈용 기판을 제작했다. 회로층용 및 금속층용의 Cu 판의 크기는, 전술과 동일하게 했다.
상기 서술한 바와 같이 하여 얻어진 파워 모듈용 기판에 대해, 회로층과 세라믹스 기판의 90 °필 강도를 이하의 조건으로 평가했다.
각 파워 모듈용 기판에 있어서, 150 ℃ 에서 1000 시간 방치 후, 회로층 중 세라믹스 기판으로부터 돌출된 부분을 90 °접어 구부려, 세라믹스 기판과 수직 방향으로 회로층을 인장하고, 회로층이 세라믹스 기판으로부터 박리될 때까지의 최대의 인장 하중을 측정했다. 이 하중을 접합 길이로 나눈 값을 90 °필 강도로 하여, 표 3 에 기재했다. 본 실시예에서의 접합 길이는, 회로층과 세라믹스 기판이 접합한 부분에 있어서의, 회로층의 장변의 길이로 했다.
Figure 112018080501715-pct00003
적층 방향으로 압력을 높게, 또한, 가열 시간을 길게 설정함으로써, 엄격한 조건에서의 필 시험이어도, 충분한 필 강도를 확보할 수 있는 것이 확인되었다.
본 발명의 접합체, 파워 모듈용 기판, 및, 이 접합체의 제조 방법, 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 세라믹스 부재와 Cu 부재가 양호하게 접합되고, 또한, 적층 방향의 열저항을 낮게 하는 것이 가능하다.
10, 110, 210 : 파워 모듈용 기판 (접합체)
11 : 세라믹스 기판 (세라믹스 부재)
12, 112, 212 : 회로층 (Cu 부재)
14 : Cu-Sn 층
15 : Ti 층
16 : 제 1 금속간 화합물층
17 : 제 2 금속간 화합물층
22, 122, 123, 222 : Cu 판 (Cu 부재)
24, 124, 224 : Cu-P-Sn 계 브레이징재

Claims (15)

  1. 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재의 접합체로서,
    상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재의 접합 계면에는,
    상기 세라믹스 부재 측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과,
    상기 Cu 부재 측에 위치하고, 상기 Cu 부재의 Cu 와 Ti 가 고상 확산함으로써 형성된 Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층과,
    상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 Cu-Sn 층의 사이에 위치하고, P 와 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층이 형성되어 있고,
    상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 제 2 금속간 화합물층의 사이에는, Ti 층이 형성되어 있지 않거나, 혹은, Ti 층의 두께가 0.15 ㎛ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하는 접합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 금속간 화합물층의 두께가 0.2 ㎛ 이상 6 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 접합체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 금속간 화합물층의 두께가 0.5 ㎛ 이상 4 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 접합체.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 금속간 화합물층의 두께가 0.5 ㎛ 이상 4 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 접합체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 접합체로 이루어지고,
    상기 세라믹스 부재로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 형성된 상기 Cu 부재로 이루어지는 회로층을 구비하고,
    상기 세라믹스 기판과 상기 회로층의 접합 계면에는,
    상기 세라믹스 기판 측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과,
    상기 회로층 측에 위치하고, 상기 회로층의 Cu 와 Ti 가 고상 확산함으로써 형성된 Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층과,
    상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 Cu-Sn 층의 사이에 위치하고, P 와 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층이 형성되어 있고,
    상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 제 2 금속간 화합물층의 사이에는, Ti 층이 형성되어 있지 않거나, 혹은, Ti 층의 두께가 0.15 ㎛ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 세라믹스 기판의 타방의 면에, Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 금속층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 접합체로 이루어지고,
    상기 세라믹스 부재로 이루어지는 세라믹스 기판과, 이 세라믹스 기판의 일방의 면에 형성된 회로층과, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 형성된 상기 Cu 부재로 이루어지는 금속층을 구비하고,
    상기 세라믹스 기판과 상기 금속층의 접합 계면에는,
    상기 세라믹스 기판 측에 위치하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과,
    상기 금속층 측에 위치하고, 상기 금속층의 Cu 와 Ti 가 고상 확산함으로써 형성된 Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층과,
    상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 Cu-Sn 층의 사이에 위치하고, P 와 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층이 형성되어 있고,
    상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 제 2 금속간 화합물층의 사이에는, Ti 층이 형성되어 있지 않거나, 혹은, Ti 층의 두께가 0.15 ㎛ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.
  8. 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재의 접합체의 제조 방법으로서,
    Cu-P-Sn 계 브레이징재와 Ti 부재를 개재하여, 상기 세라믹스 부재와 상기 Cu 부재를 적층하는 적층 공정과,
    적층된 상태로 상기 Cu-P-Sn 계 브레이징재의 용융 개시 온도 미만의 온도에서 가열하고, 상기 Cu 부재와 상기 Ti 부재를 반응시켜 Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층을 형성하는 제 1 가열 처리 공정과,
    상기 제 1 가열 처리 공정 후에, 상기 Cu-P-Sn 계 브레이징재의 용융 개시 온도 이상의 온도에서 가열하고, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 Cu-Sn 층의 사이에 위치하고, P 와 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층을 형성하는 제 2 가열 처리 공정을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 접합체의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 가열 처리 공정에 있어서의 가열 온도가 580 ℃ 이상 670 ℃ 이하의 범위 내, 가열 시간이 30 분 이상 240 분 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 접합체의 제조 방법.
  10. 세라믹스로 이루어지는 세라믹스 부재와 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 Cu 부재의 접합체의 제조 방법으로서,
    상기 Cu 부재와 Ti 부재를 적층한 상태로 가열하여 Cu 와 Ti 를 확산시키고, Cu 부재와 상기 Ti 부재의 사이에 Cu 와 Ti 를 함유하는 제 1 금속간 화합물층을 형성하는 Cu 와 Ti 의 확산 공정과,
    Cu-P-Sn 계 브레이징재를 개재하여, 상기 세라믹스 부재와, 상기 제 1 금속간 화합물층이 형성된 상기 Ti 부재 및 상기 Cu 부재를 적층하는 적층 공정과,
    상기 Cu-P-Sn 계 브레이징재의 용융 개시 온도 이상의 온도에서 가열하여, Sn 이 Cu 중에 고용된 Cu-Sn 층과, 상기 제 1 금속간 화합물층과 상기 Cu-Sn 층의 사이에 위치하고, P 와 Ti 를 함유하는 제 2 금속간 화합물층을 형성하는 가열 처리 공정을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 접합체의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 Cu 와 Ti 의 확산 공정에 있어서의 가열 온도가 600 ℃ 이상 670 ℃ 이하의 범위 내, 가열 시간이 30 분 이상 360 분 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 접합체의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 Cu 와 Ti 의 확산 공정에 있어서, 적층 방향의 하중이 0.294 MPa 이상 1.96 MPa 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 접합체의 제조 방법.
  13. 세라믹스 기판의 일방의 면에 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 회로층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 세라믹스 기판과 상기 회로층을, 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 접합체의 제조 방법에 의해 접합하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  14. 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층이 배치 형성되고, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 세라믹스 기판과 상기 금속층을, 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 접합체의 제조 방법에 의해 접합하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
  15. 세라믹스 기판의 일방의 면에 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 회로층이 배치 형성되고, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 Al 또는 Al 합금으로 이루어지는 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
    상기 세라믹스 기판과 상기 회로층을, 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 접합체의 제조 방법에 의해 접합하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.




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