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KR102434878B1 - 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 - Google Patents

히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 Download PDF

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KR102434878B1
KR102434878B1 KR1020197024544A KR20197024544A KR102434878B1 KR 102434878 B1 KR102434878 B1 KR 102434878B1 KR 1020197024544 A KR1020197024544 A KR 1020197024544A KR 20197024544 A KR20197024544 A KR 20197024544A KR 102434878 B1 KR102434878 B1 KR 102434878B1
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소타로 오이
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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

세라믹스 기판의 양면에 구리 등으로 이루어지는 회로층과 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판과, 알루미늄층과, 구리층과, 알루미늄 함침 탄화규소 다공질체로 이루어지는 히트 싱크를 구비하고, 금속층과 알루미늄층 사이, 알루미늄층과 구리층 사이, 구리층과 알루미늄 함침 탄화규소 다공질체 사이에, 알루미늄과 구리의 금속간 화합물을 갖는 확산층이 형성되어 있고, 회로층의 두께 t1 이 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하, 금속층의 두께 t2 가 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하, 두께 t3 이 3.0 ㎜ 이하, 두께 t4 가 0.1 ㎜ 이상 5.0 ㎜ 이하, 비율 [(σ1 × t1 × A1)/{(σ2 × t2 × A2) + (σ3 × t3 × A3) + (σ4 × t4 × A4)}] 가 0.06 이상 0.70 이하의 범위 내가 된다.

Description

히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판
본 발명은, 대전류, 고전압을 제어하는 반도체 장치에 사용되는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 관한 것이다.
본원은 2017년 3월 7일에 출원된 일본 특허출원 2017-42544 에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판으로서, 예를 들어 특허문헌 1 또는 특허문헌 2 에 기재되는 바와 같이, 절연층이 되는 세라믹스 기판의 일방의 면에 구리 등으로 이루어지는 회로층이 형성되고, 세라믹스 기판의 타방의 면에 구리 등으로 이루어지는 금속층이 형성되고, 이 금속층의 세라믹스 기판과는 반대측의 면에 알루미늄이나 구리 등으로 이루어지는 히트 싱크 (방열판) 가 접합된 구성의 것이 알려져 있다. 이와 같이 구성되는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 회로층의 표면 (상면) 에, 반도체 소자 등의 전자 부품이 솔더링 (실장) 됨으로써, 파워 모듈이 제조된다.
알루미늄이나 구리로 이루어지는 히트 싱크는, 파워 모듈용 기판과의 선팽창차가 크다. 이 때문에, 전자 부품의 실장 공정에서 가열되거나, 파워 모듈의 사용 환경에 있어서의 온도 변화에 노출됨으로써, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 휨이 발생한다. 예를 들어, 전자 부품의 실장 공정에서 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 휨이 발생하면, 전자 부품의 위치 어긋남이 발생하거나, 솔더 접합부에 변형이나 크랙 등이 발생하여 접합 신뢰성이 저해되거나 할 우려가 있다.
또, 파워 모듈의 사용 환경에 있어서 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 휨이 발생하면, 히트 싱크와 냉각기 사이에 개재하는 열도전성 그리스가 펌프 아웃 현상에 의해 흘러나옴으로써, 히트 싱크와 냉각기의 밀착성이 저해되어, 열저항의 증가를 초래하는 경우가 있다. 나아가서는, 이와 같이 반복해서 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 휨이 발생함으로써, 세라믹스 기판에 크랙이 발생할 우려가 있다.
그래서, 이런 종류의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 있어서, 알루미늄이나 구리 대신에, 저열팽창이고 고열전도율의 알루미늄 함침 탄화규소 다공질체에 의해 히트 싱크를 형성함으로써, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크의 선팽창차에서 기인하는 휨을 저감시키는 시도가 이루어지고 있다.
알루미늄 함침 탄화규소 다공질체는, 특허문헌 3 또는 특허문헌 4 에 기재되는 바와 같이, 주로 탄화규소 (SiC) 로 이루어지는 다공질체 중에 알루미늄 (Al) 또는 알루미늄 합금이 함침됨과 함께, 그 다공질체의 표면에 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 피복층이 형성된 알루미늄과 탄화규소의 복합체이다.
일본 공개특허공보 평10-270596호 일본 공개특허공보 2016-51778호 일본 공개특허공보 2014-143351호 일본 공개특허공보 2003-306730호
특허문헌 3 또는 특허문헌 4 에 기재되는 바와 같이, 종전은, 히트 싱크를 저열팽창이고 고열전도율의 알루미늄 함침 탄화규소 다공질체에 의해 형성함으로써, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크의 선팽창차를 작게 하여, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 발생하는 휨의 저감을 도모하고 있었다. 그러나, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 발생하는 휨량의 저감은 충분하다고는 할 수 없어, 추가적인 개선이 요구되고 있다.
본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 파워 사이클이나 냉열 사이클에 대한 신뢰성이 높은 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판의 일방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 회로층이 배치 형성되고, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판과, 상기 금속층에 접합된 알루미늄으로 이루어지는 알루미늄층과, 상기 알루미늄층에 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리층과, 상기 구리층에 접합되고, 탄화규소로 이루어지는 다공질체에 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 함침된 알루미늄 함침 탄화규소 다공질체로 이루어지는 히트 싱크를 구비하고, 상기 금속층과 상기 알루미늄층 사이, 상기 알루미늄층과 상기 구리층 사이, 상기 구리층과 상기 알루미늄 함침 탄화규소 다공질체 사이에, 알루미늄과 구리의 금속간 화합물을 갖는 확산층이 형성되어 있고, 상기 회로층의 내력을 σ1 (㎫), 상기 회로층의 두께를 t1 (㎜), 상기 회로층과 상기 세라믹스 기판의 접합 면적을 A1 (㎟) 로 하고, 상기 금속층의 내력을 σ2 (㎫), 상기 금속층의 두께를 t2 (㎜), 상기 금속층과 상기 세라믹스 기판의 접합 면적을 A2 (㎟) 로 하고, 상기 알루미늄층의 내력을 σ3 (㎫), 상기 알루미늄층의 두께를 t3 (㎜), 상기 금속층과 상기 알루미늄층의 접합 면적을 A3 (㎟) 으로 하고, 상기 구리층의 내력을 σ4 (㎫), 상기 구리층의 두께를 t4 (㎜), 상기 알루미늄층과 상기 구리층의 접합 면적을 A4 (㎟) 로 했을 때, 상기 두께 t1 이 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하로 형성되고, 상기 두께 t2 가 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하로 형성되고, 상기 두께 t3 이 3.0 ㎜ 이하로 형성되고, 상기 두께 t4 가 0.1 ㎜ 이상 5.0 ㎜ 이하로 형성되어 있고, 비율 [(σ1 × t1 × A1)/{(σ2 × t2 × A2) + (σ3 × t3 × A3) + (σ4 × t4 × A4)}] 가 0.06 이상 0.70 이하의 범위 내로 되어 있다.
히트 싱크를 형성하는 알루미늄 함침 탄화규소 다공질체는, 세라믹스 기판에 가까운 선팽창률을 가지고 있지만, 약간이지만 선팽창률에 차가 있다. 이 때문에, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크의 접합시에, 세라믹스 기판과 히트 싱크의 접합면간에 선팽창률차에서 기인하는 휨이 발생하여, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크의 접합 불량이 생길 우려가 있다.
본 발명의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에서는, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크 사이에 알루미늄층과 구리층을 형성하고, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속층과, 알루미늄으로 이루어지는 알루미늄층과, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리층과, 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 함침하여 형성시킨 알루미늄 함침 탄화규소 다공질체로 이루어지는 히트 싱크를 순서대로 적층하고, 구리와 알루미늄을 교대로 적층한 구조로 하고 있다. 이들의 서로 접합된 각 층 사이는, 그 표면에 접합된 부재 중의 금속 원자, 즉, 구리와 알루미늄으로 이루어지는 금속간 화합물을 갖는 확산층을 개재하여 고상 확산 접합되어 있다. 그리고, 본 발명의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에서는, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크를 고상 확산 접합에 의해, 알루미늄층과 구리층을 개재하여 접합함으로써, 각 부재를 서로 밀착시켜 강고하게 접합하고 있다. 또, 각 부재를 소정 두께의 범위 내에서 형성하고, 각 부재의 관계를 비율 ([(σ1 × t1 × A1)/{(σ2 × t2 × A2) + (σ3 × t3 × A3) + (σ4 × t4 × A4)}] 가 0.06 이상 0.70 이하의 범위 내) 로 조정함으로써, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크의 접합시의 휨을 발생시키는 일 없이 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판이 형성되어 있다.
또, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크 사이에, 응력 완충 효과가 높은 알루미늄층을 배치 형성함으로써, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크의 열신축차에서 기인하는 열응력을 알루미늄층에서 흡수할 수 있어, 파워 모듈용 기판에 대한 냉열 사이클시의 부하를 완화시킬 수 있다. 또, 강성이 높고, 또한 선팽창 계수가 알루미늄 함침 탄화규소 다공질체나 세라믹스보다 큰 구리층을 배치 형성함으로써, 세라믹스 기판과 히트 싱크의 선팽창차에서 기인하는 휨을 저감시킬 수 있다. 이 때문에, 예를 들어 반도체 소자의 접합 등에 있어서 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 가열했을 때의 열신축에 의한 휨을 저감시킬 수 있으므로, 세라믹스 기판의 균열 (크랙) 의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 파워 사이클이나 냉열 사이클에 대한 신뢰성이 높은 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 형성할 수 있다.
또한, 회로층, 금속층, 알루미늄층 및 구리층의 각 두께 t1 ∼ t4 는, 확산층을 제외한 두께가 된다. 회로층의 두께 t1 및 금속층의 두께 t2 가 0.1 ㎜ 미만에서는, 세라믹스 기판과 회로층, 세라믹스 기판과 금속층의 각각의 접합에 사용한 접합재가 가열시에 회로층의 표면에 스며나올 우려가 있고, 두께 t1 및 두께 t2 가 3.0 ㎜ 를 초과하면, 예를 들어, 반도체 소자를 접합할 때 등, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 가열했을 경우에, 세라믹스 기판에 균열이 발생할 우려가 있다.
알루미늄층의 두께 t3 이 3.0 ㎜ 를 초과하면, 두께 t3 을 크게 (두껍게) 한 것에 의해, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 휨이 커진다. 또, 두께 t3 을 늘린 것에 의한 열저항이 커져, 냉각 성능을 저하시킨다.
구리층의 두께 t4 가 0.1 ㎜ 미만에서는, 구리층을 형성한 것에 의한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 발생하는 휨의 저감 효과를 충분히 발휘할 수 없다. 두께 t4 가 5.0 ㎜ 를 초과하면, 고강성 또한 고선팽창률인 구리층으로부터의 큰 응력이 세라믹스 기판에 가해지기 때문에, 예를 들어, 반도체 소자를 접합할 때 등, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 가열했을 경우에, 세라믹스 기판에 균열이 발생할 우려가 있다.
본 발명의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 바람직한 실시양태로서, 상기 히트 싱크의 하면에 있어서, 상기 히트 싱크와 상기 구리층의 접합면의 중심 위치를 측정 범위의 중심으로 하고, 그 측정 범위의 최대 길이를 L (㎜) 로 하고, 상기 측정 범위에 있어서의 상기 히트 싱크의 변형량을 Z (㎜) 로 하고, 285 ℃ 로 가열했을 때의 휨 (Z/L2) 의 값을 X 로 하고, 상기 285 ℃ 로 가열한 후에 30 ℃ 까지 냉각시켰을 때의 휨 (Z/L2) 의 값을 Y 로 했을 때, 상기 휨 X 와 상기 휨 Y 의 차분 (Y - X) 이 -18.0 × 10-6 (㎜-1) 이상 18.0 × 10-6 (㎜-1) 이하가 된다. 여기서, 변형량 Z 는, 회로층측에 볼록한 변형을 정 (正), 히트 싱크 하면측에 볼록한 변형을 부 (負) 로 한다.
285 ℃ 가열시에 있어서의 휨 X 와, 그 가열 후에 285 ℃ 에서 30 ℃ 까지 냉각시켰을 때의 휨 Y 의 차분 (Y - X) 이 -18.0 × 10-6 (㎜-1) 이상 18.0 × 10-6 (㎜-1) 이하가 되는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 저온시 (30 ℃) 와 고온시 (285 ℃) 에 발생하는 휨의 변화도 작다. 이와 같은 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에서는, 전자 부품을 회로층에 솔더링이나 와이어 본딩 등을 할 때에 발생하는 휨이나, 파워 모듈의 냉열 사이클 부하시에 발생하는 휨이 작기 때문에, 전자 부품의 솔더링 등의 제조 공정에 있어서의 작업성의 향상이나, 가열에 의한 세라믹스 기판의 균열을 방지할 수 있다.
본 발명의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 바람직한 실시양태로서, 상기 회로층의 두께 t1 과 상기 금속층의 두께 t2 의 비율 (t1/t2) 이 0.75 이상 1.25 미만이면 된다.
회로층의 두께 t1 과 금속층의 두께 t2 가 거의 동일하고, 파워 모듈용 기판의 휨이 거의 발생하지 않기 때문에, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크를 접합할 때, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크 사이에 알루미늄판 (알루미늄층) 및 구리판 (구리층) 을 개재시켰을 때, 각 층 사이에 간극이 생기는 것을 억제할 수 있어, 각 층의 접합성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 바람직한 실시양태로서, 상기 휨 X 가 -50 × 10-6 (㎜-1) 이상 50 × 10-6 (㎜-1) 이하이고, 상기 휨 Y 가 -50 × 10-6 (㎜-1) 이상 50 × 10-6 (㎜-1) 이하이면 된다.
휨 X 및 Y 가 50 × 10-6 (㎜-1) 을 초과하는 경우에서는, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 수랭식 냉각기 등에 체결했을 때, 히트 싱크와 수랭식 냉각기 사이에 사용하는 그리스의 양이 많이 필요해져, 열저항이 상승할 우려가 있다. 또, 휨 X 및 Y 가 -50 × 10-6 (㎜-1) 미만이 되었을 경우, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 수랭식 냉각기 등에 체결했을 때, 세라믹스 기판에 부하가 가해져, 균열 등이 발생할 우려가 있다.
본 발명의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 바람직한 실시양태로서, 상기 알루미늄층의 두께 t3 이 0.01 ㎜ 이상이면 된다.
알루미늄층의 두께 t3 이 0.01 ㎜ 미만이면, 금속층과 알루미늄층, 및 알루미늄층과 구리층의 접합성이 저하될 우려가 있다.
본 발명의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 의하면, 온도 변화에 수반하는 세라믹스 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있어, 파워 사이클이나 냉열 사이클에 대한 신뢰성을 높일 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 나타내는 단면도이다.
도 2 는, 도 1 에 나타내는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 사시도이다.
도 3 은, 히트 싱크의 주요부 단면도이다.
도 4 는, 도 1 에 나타내는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 일부를 설명하는 도면이고, 파워 모듈용 기판의 제조 공정을 설명하는 단면도이다.
도 5 는, 도 1 에 나타내는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 일부를 설명하는 도면이고, 파워 모듈용 기판과 히트 싱크의 접합 공정을 설명하는 단면도이다.
도 6 은, 금속층과 알루미늄층의 접합 계면의 주요부 단면도이다.
도 7 은, 휨의 측정 범위를 설명하는 모식도이고, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 히트 싱크의 하면의 평면도이다.
도 8a 는, 휨의 측정 방법을 설명하는 모식도이고, 측정 범위의 평면도를 나타낸다.
도 8b 는, 도 8a 에 나타내는 측정 범위에 있어서, 휨이 정일 때의 측정 범위의 대각선 상의 단면도를 나타낸다.
도 8c 는, 도 8a 에 나타내는 측정 범위에 있어서, 휨이 부일 때의 측정 범위의 대각선 상의 단면도를 나타낸다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1 에, 본 실시형태의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 을 나타낸다. 이 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 은, 파워 모듈용 기판 (10) 과, 파워 모듈용 기판 (10) 에 접합된 알루미늄층 (31) 과, 알루미늄층 (31) 에 접합된 구리층 (32) 과, 구리층 (32) 에 접합된 히트 싱크 (20) 를 구비한다. 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 은, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 과 알루미늄층 (31) 사이, 알루미늄층 (31) 과 구리층 (32) 사이, 구리층 (32) 과 히트 싱크 (20) 사이에, 각각 알루미늄과 구리의 금속간 화합물을 갖는 확산층 (33, 34, 35) 이 형성되고, 금속층 (13) 으로부터 히트 싱크 (20) 까지의 각 층 사이가 확산층 (33, 34, 35) 을 개재하여 접합되어 있다.
세라믹스 기판 (11) 은, 회로층 (12) 과 금속층 (13) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것이다. 세라믹스 기판 (11) 은, 예를 들어 AlN (질화알루미늄), Si3N4 (질화규소), Al2O3 (알루미나), SiC (탄화규소) 등의 절연성이 높은 세라믹스로 형성되고, 두께 t6 이 0.32 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내에 형성되어 있다.
회로층 (12) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에, 구리 또는 구리 합금 (바람직하게는 무산소동 : OFC) 의 구리판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 또, 회로층 (12) 의 두께 t1 (구리판의 두께) 은, 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하의 범위 내에 형성되어 있다. 회로층 (12) 은, 에칭 등에 의해 소정의 회로 패턴이 형성되어 있다.
금속층 (13) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에, 구리 또는 구리 합금 (바람직하게는 무산소동 : OFC) 의 구리판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 금속층 (13) 의 두께 t2 (구리판의 두께) 는, 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하의 범위 내에 형성되어 있다.
파워 모듈용 기판 (10) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 양면에 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 배치 형성된 구성이 된다. 파워 모듈용 기판 (10) 에 있어서, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (12) 의 두께를 t1 (㎜) 로 하고, 금속층 (13) 의 두께를 t2 (㎜) 로 했을 때, 회로층 (12) 과 금속층 (13) 의 관계가, 비율 (t1/t2) 이 0.75 이상 1.25 미만의 범위 내가 되도록 조정되어 있으면 된다. 이 경우, 회로층 (12) 의 두께 t1 과 금속층 (13) 의 두께 t2 가 거의 동일하고, 세라믹스 기판 (11) 의 양면에 등후 (等厚) 의 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 접합되어 있으므로, 파워 모듈용 기판 (10) 에는 휨이 거의 발생하지 않는다. 그 때문에, 파워 모듈용 기판 (10) 과 히트 싱크 (20) 를, 후술하는 알루미늄판 (알루미늄층 (31)) 및 구리판 (구리층 (32)) 을 개재하여 접합할 때, 파워 모듈용 기판 (10) 과 히트 싱크 (20) 사이에 알루미늄판 및 구리판을 개재시켰을 때, 각 층 사이에 간극이 생기는 것을 억제할 수 있어, 각 층의 접합성을 향상시킬 수 있다.
또한, 회로층 (12) 에는 회로 패턴이 형성되어 있고, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 복수로 분할된 패턴 형상을 갖는 경우에는, 각 패턴 형상의 세라믹스 기판 (11) 과의 접합 면적 A1 (㎟) 은, 통상은 금속층 (13) 의 세라믹스 기판 (11) 과의 접합 면적 A2 (㎟) 의 90 ％ 정도의 면적이 된다.
알루미늄층 (31) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 금속층 (13) 의 하면에, 알루미늄판 또는 알루미늄 합금판이 고상 확산 접합됨으로써 형성되어 있다. 금속층 (13) 과 알루미늄층 (31) 은, 금속층 (13) 의 구리 원자와 알루미늄층 (31) 의 알루미늄 원자가 상호 확산됨으로써, 구리와 알루미늄으로 이루어지는 금속간 화합물을 갖는 확산층 (33) 을 형성하여 접합되어 있다. 알루미늄층 (31) 은, 금속층 (13) 의 하면의 전체면에 접합되어 있고, 알루미늄층 (31) 과 금속층 (13) 의 접합 면적 A3 (㎟) 은, 금속층 (13) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 면적 A2 (㎟) 와 동일한 크기가 된다. 알루미늄층 (31) 의 두께 t3 (㎜) 이 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하의 범위 내에 형성되어 있다. 또, 확산층 (33) 의 두께 t133 이 2 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위 내에 형성되어 있다.
알루미늄층 (31) 에 사용하는 알루미늄판 또는 알루미늄 합금판으로는, 순도 99.9 질량％ 이상의 알루미늄판 (2N-Al) 이나 순도 99.99 질량％ 이상의 알루미늄판 (4N-Al), A3003 판이나 A6063 판 등을 사용할 수 있다. 알루미늄층 (31) 의 두께 t3 은, 확산층 (33, 34) 의 두께 t133, t134 를 제외한 두께이고, 확산층 (33, 34) 의 두께 t133, t134 는 포함되지 않는다.
구리층 (32) 은, 알루미늄층 (31) 의 하면에, 구리 또는 구리 합금의 구리판이 고상 확산 접합됨으로써 형성되어 있다. 알루미늄층 (31) 과 구리층 (32) 은, 알루미늄층 (31) 의 알루미늄 원자와 구리층 (32) 의 구리 원자가 상호 확산됨으로써, 구리와 알루미늄으로 이루어지는 금속간 화합물을 갖는 확산층 (34) 을 형성하여 접합되어 있다. 구리층 (32) 은, 알루미늄층 (31) 의 하면의 전체면에 접합되어 있고, 구리층 (32) 과 알루미늄층 (31) 의 접합 면적 A4 (㎟) 는, 알루미늄층 (31) 과 금속층 (13) 의 접합 면적 A3 (㎟) 과, 금속층 (13) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 면적 A2 (㎟) 와 동일한 크기가 된다. 구리층 (32) 의 두께 t4 (㎜) 가 0.1 ㎜ 이상 5.0 ㎜ 이하의 범위 내에 형성되어 있다. 또, 확산층 (34) 의 두께 t134 가 2 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위 내에 형성되어 있다. 구리층 (32) 의 두께 t4 는, 확산층 (34, 35) 의 두께 t134, t135 를 제외한 두께이고, 확산층 (34, 35) 의 두께 t134, t135 는 포함되지 않는다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (12) 의 내력을 σ1 (㎫), 회로층 (12) 의 두께를 t1 (㎜), 회로층 (12) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 면적을 A1 (㎟) 로 하고, 금속층 (13) 의 내력을 σ2 (㎫), 금속층 (13) 의 두께를 t2 (㎜), 금속층 (13) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 면적을 A2 (㎟) 로 하고, 알루미늄층 (31) 의 내력을 σ3 (㎫), 알루미늄층 (31) 의 두께를 t3 (㎜), 금속층 (13) 과 알루미늄층 (31) 의 접합 면적을 A3 (㎟) 으로 하고, 구리층 (32) 의 내력을 σ4 (㎫), 구리층 (32) 의 두께를 t4 (㎜), 알루미늄층 (31) 과 구리층 (32) 의 접합 면적을 A4 (㎟) 로 했을 때, 회로층 (12) 과 금속층 (13) 과 알루미늄층 (31) 과 구리층 (32) 의 관계가, 비율 [(σ1 × t1 × A1)/{(σ2 × t2 × A2) + (σ3 × t3 × A3) + (σ4 × t4 × A4)}] 가 0.06 이상 0.70 이하의 범위 내가 되도록 조정되어 있다. 이 때의 내력 σ1 ∼ σ4 는, 조질 (調質) (식별) 기호 「O」 의 25 ℃ 에 있어서의 내력이 된다.
히트 싱크 (20) 는, 파워 모듈용 기판 (10) 을 냉각시키기 위한 것이다. 히트 싱크 (20) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 구리층 (32) 의 하면에, 고상 확산 접합에 의해 접합되어 있다. 히트 싱크 (20) 는, 파워 모듈용 기판 (10) 으로부터 알루미늄층 (31) 및 구리층 (32) 을 개재하여 전달된 열을 냉각시킨다. 히트 싱크 (20) 는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 탄화규소 (SiC) 로 이루어지는 다공질체 (21) 에 알루미늄 (Al) 또는 알루미늄 합금이 함침되고, 다공질체 (21) 의 표면에, 내부에 함침된 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 피복층 (22) 이 형성된 알루미늄 함침 탄화규소 다공질체로 이루어지고, 평판상으로 형성되어 있다.
히트 싱크 (20) 의 다공질체 (21) 에 함침되는 알루미늄으로는, 순도가 99 질량％ 이상인 알루미늄 (2N-Al) 이나 순도가 99.99 질량％ 인 알루미늄 (4N-Al) 등의 순알루미늄, 혹은 Al : 80 질량％ 이상 99.99 질량％ 이하, Si : 0.01 질량％ 이상 13.5 질량％ 이하, Mg : 0.03 질량％ 이상 5.0 질량％ 이하, 잔부 : 불순물의 조성을 갖는 알루미늄 합금을 사용할 수 있다. 또, ADC12 나 A356 등의 알루미늄 합금을 사용할 수도 있다.
히트 싱크 (20) 의 두께 t5 는, 0.5 ㎜ 이상 5.0 ㎜ 이하로 할 수 있다. 히트 싱크 (20) 의 두께 t5 는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 다공질체 (21) 의 양면을 피복하는 피복층 (22) 의 두께 t151 을 포함한 두께이다. 피복층 (22) 의 편면당 두께 t151 은, 히트 싱크 (20) 의 두께 t5 의 0.01 배 이상 0.1 배 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 구리층 (32) 과 히트 싱크 (20) 사이에는, 구리층 (32) 의 구리 원자와 히트 싱크 (20) 의 알루미늄 원자가 상호 확산됨으로써, 구리와 알루미늄으로 이루어지는 금속간 화합물을 갖는 확산층 (35) 이 형성되어 있다. 이 확산층 (35) 의 두께 t135 는, 피복층 (22) 의 두께 t151 의 범위 내에서, 2 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위 내에 형성하는 것이 바람직하다.
다공질체 (21) 의 표면에 피복층 (22) 이 형성된 히트 싱크 (20) 는, 예를 들어, 다공질체 (21) 를, 그 주위에 소정의 간극을 갖도록 형성된 형 내에 배치해 두고, 그 형 내에 가열 용융한 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 압입하고, 가압된 상태에서 냉각시킴으로써 제조된다. 이와 같이, 알루미늄 등을 압입함으로써, 알루미늄 등과의 젖음성이 나쁜 탄화규소의 다공질체 (21) 의 내부에 알루미늄 합금을 함침시킬 수 있고, 또한 다공질체 (21) 의 주위의 간극에 알루미늄 등을 충전하고, 다공질체 (21) 의 표면에 소정 두께의 피복층 (22) 을 형성할 수 있다. 또한, 형성된 피복층 (22) 을 절삭 가공함으로써, 피복층 (22) 의 두께 t151 을 조정해도 된다.
또한, 본 실시형태의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 의 바람직한 조합예로서, 파워 모듈용 기판 (10) 의 각 부재는, 예를 들어 세라믹스 기판 (11) 이 두께 t6 = 0.635 ㎜ 의 AlN (질화알루미늄), 회로층 (12) 이 두께 t1 = 0.3 ㎜ 의 OFC (무산소동, 내력 σ1 : 200 ㎫), 금속층 (13) 이 두께 t2 = 0.3 ㎜ 의 OFC (무산소동, 내력 σ2 : 200 ㎫) 에 의해 구성된다. 또, 알루미늄층 (31) 이 두께 t3 = 0.25 ㎜ 의 4N-Al (이른바 4N 알루미늄, 내력 σ3 : 28 ㎫), 구리층 (32) 이 두께 t4 = 2.0 ㎜ 의 OFC (무산소동, 내력 σ4 : 200 ㎫) 로 구성된다. 각각의 접합 면적 A1 ∼ A4 가 1369 ㎟ 인 경우, 비율 [(σ1 × t1 × A1)/{(σ2 × t2 × A2) + (σ3 × t3 × A3) + (σ4 × t4 × A4)}] = 0.13 이 된다. 또, 히트 싱크 (20) 는, 함침되는 알루미늄 등이 Al-Si 계 합금으로 구성되고, 전체의 두께 t5 가 5.0 ㎜ 이고, 피복층 (22) 의 두께 t151 이 100 ㎛ 정도로 구성되고, 확산층 (33, 34, 35) 의 각 두께 t133 ∼ 135 가 25 ㎛ 정도가 된다.
또한, 각 부재의 선팽창률은, AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 (11) 이 4.5 × 10-6/K, OFC 로 이루어지는 회로층 (12), 금속층 (13) 및 구리층 (32) 이 17.7 × 10-6/K, 4N-Al 로 이루어지는 알루미늄층 (31) 이 23.6 × 10-6/K, Al-Si 계 합금을 함침한 알루미늄 함침 탄화규소 다공질체로 이루어지는 히트 싱크 (20) 가 8.5 × 10-6/K 가 된다.
이와 같이 구성되는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 의 회로층 (12) 의 상면에 반도체 소자 등의 전자 부품 (80) 이 탑재되고, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 파워 모듈 (201) 이 제조된다. 전자 부품 (80) 은, 회로층 (12) 의 상면에 Sn-Cu, Sn-Cu-Ni 등의 솔더링재에 의해 솔더 접합되고, 도시는 생략하지만, 전자 부품 (80) 과 회로층 (12) 사이에는, 두께 50 ㎛ ∼ 200 ㎛ 정도의 솔더 접합부가 형성된다.
이하, 본 실시형태의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 의 제조 공정을 설명한다.
먼저, 회로층 (12) 이 되는 구리판과 세라믹스 기판 (11) 과, 금속층 (13) 이 되는 구리판과 세라믹스 기판 (11) 을 접합한다. 회로층 (12) 이 되는 구리판 및 금속층 (13) 이 되는 구리판과, 세라믹스 기판 (11) 의 접합은, 이른바 활성 금속 브레이징법에 의해 실시한다.
상세하게는, 세라믹스 기판 (11) 의 상면에 Ag-Cu-Ti 나 Ag-Ti 등의 활성 금속 브레이징재 (도시 생략) 를 개재하여 회로층 (12) 이 되는 구리판을 적층함과 함께, 세라믹스 기판 (11) 의 하면에도 동일한 활성 금속 브레이징재를 개재하여 금속층 (13) 이 되는 구리판을 적층한다. 그리고, 이들 구리판, 활성 금속 브레이징재, 세라믹스 기판 (11) 을 적층한 적층체를, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 그 적층 방향으로 0.1 ㎫ 이상 3.5 ㎫ 이하의 범위 내에서 가압한 상태에서 가열하고, 회로층 (12) 이 되는 구리판과 세라믹스 기판 (11), 금속층 (13) 이 되는 구리판과 세라믹스 기판 (11) 을 각각 접합하여, 파워 모듈용 기판 (10) 을 제조한다. 이 때의 가열 조건은, 예를 들어 가열 온도가 850 ℃, 가열 시간이 10 분이 된다.
다음으로, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 의 하면에, 알루미늄층 (31) 및 구리층 (32) 을 개재하여, 히트 싱크 (20) 를 접합한다. 파워 모듈용 기판 (10) 과 히트 싱크 (20) 의 접합에는, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 볼록 곡면상의 가압면 (51a) 을 갖는 가압판 (51) 과, 오목 곡면상의 가압면 (52a) 을 갖는 가압판 (52) 을 갖는 가압 지그 (50) 를 사용하는 것이 바람직하다. 2 장의 가압판 (51, 52) 에는, 각각 대향하는 가압면 (51a, 52a) 을, 곡률 반경 R 이 3000 ㎜ ∼ 7000 ㎜ 가 되는 곡면을 갖는 오목면 또는 볼록면으로 형성하면 된다. 이 경우, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 히트 싱크 (20) 의 하면을 적층 방향으로 가압하는 가압판 (52) 의 가압면 (52a) 이 오목면으로 형성되고, 파워 모듈용 기판 (10) 의 상면 (회로층 (12) 의 상면) 을 적층 방향으로 가압하는 가압판 (51) 의 가압면 (51a) 이 볼록면으로 형성되어 있다. 또한, 도시는 생략하지만, 가압 지그 (50) 에는, 가압판 (51, 52) 을 적층 방향으로 탄성 지지하여 가압력을 부여하는 스프링 등의 탄성 지지 수단이 구비되어 있다. 또한, 가압판 (51, 52) 으로서, 평판을 사용할 수도 있다.
이와 같이 구성되는 가압 지그 (50) 의 가압판 (51) 과 가압판 (52) 사이에, 파워 모듈용 기판 (10), 알루미늄층 (31) 이 되는 알루미늄판, 구리층 (32) 이 되는 구리판, 히트 싱크 (20) 를 순서대로 겹쳐서 배치하고, 이들을 적층 방향으로 끼운 상태로 한다. 이 때, 이들을 겹친 적층체는, 가압판 (51) 의 가압면 (51a) 과 가압판 (52) 의 가압면 (52a) 에 의해, 적층 방향 (두께 방향) 으로 가압되어, 히트 싱크 (20) 의 하면을 하방을 향하여 볼록상으로 하는 변형 (휨) 을 발생시킨 상태로 유지된다. 이 적층체를, 가압 지그 (50) 에 의한 가압 상태에서 가열함으로써, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 의 하면과 알루미늄층 (31) 의 상면, 알루미늄층 (31) 의 하면과 구리층 (32) 의 상면, 구리층 (32) 의 하면과 히트 싱크 (20) 의 상면을, 각각 고상 확산 접합에 의해 접합한다.
이 경우, 고상 확산 접합은, 진공 분위기 중에서, 가압 하중 (가압력) 0.1 ㎫ ∼ 3.5 ㎫, 가열 온도 450 ℃ 이상 548 ℃ 미만의 가열 온도에서, 5 분 ∼ 240 분 유지함으로써 실시한다. 이로써, 금속층 (13) 과 알루미늄층 (31), 알루미늄층 (31) 과 구리층 (32), 구리층 (32) 과 히트 싱크 (20) 는, 구리 원자와 알루미늄 원자가 상호 확산됨으로써, 각 층 사이에 구리와 알루미늄의 금속간 화합물을 갖는 확산층 (33, 34, 35) 이 형성되고, 이들 확산층 (33, 34, 35) 을 개재하여 접합된다.
또한, 각 확산층 (33, 34, 35) 의 두께는, 접합 시간에 따라 증가하고, 각 확산층 (33, 34, 35) 이 동일한 정도의 두께로 형성된다. 각 확산층 (33, 34, 35) 의 두께는, 2 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위 내에 형성된다.
여기서, 알루미늄 (알루미늄층 (31), 히트 싱크 (20)) 과 구리 (금속층 (13), 구리층 (32)) 사이에 있어서의 고상 확산 접합에 대해, 알루미늄층 (31) 과 금속층 (13) 의 접합을 예로 하여 도 6 을 참조하여 설명한다.
알루미늄층 (31) 과 금속층 (13) 은, 알루미늄층 (31) 의 알루미늄 원자와 금속층 (13) 의 구리 원자가 상호 확산됨으로써, 알루미늄과 구리의 금속간 화합물을 갖는 확산층 (33) 을 형성하여 접합된다. 확산층 (33) 은, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 알루미늄 원자와 구리 원자의 존재 비율에 따라 복수의 조성의 금속간 화합물 (41, 42, 43) 이 계면을 따라 적층된 구성으로 되어 있다. 요컨대, 확산층 (33) 의 알루미늄층 (31) 측의 영역에서는, 알루미늄 원자의 존재 비율이 높고, 알루미늄의 함유량이 많은 금속간 화합물상이 형성된다. 한편, 확산층 (33) 의 금속층 (13) 측의 영역에서는, 구리 원자의 존재 비율이 높고, 구리의 함유량이 많은 금속간 화합물상이 형성된다. 도 6 에 나타내는 예에서는, 확산층 (33) 은, 알루미늄층 (31) 측으로부터 금속층 (13) 측을 향하여, 순서대로 θ 상 (43), η2 상 (42), ζ2 상 (41) 의 3 종의 금속간 화합물이 적층된 구성으로 되어 있다.
또한, 확산층 (33) 은, 알루미늄층 (31) 측으로부터 금속층 (13) 측을 향하여 순서대로, 접합 계면을 따라, θ 상, η2 상이 적층되고, 또한 ζ2 상, δ 상, 및 γ2 상 중 적어도 하나의 상이 적층된 구조이어도 된다. 확산층 (34, 35) 에 있어서도 동일하다.
다음으로, 이와 같이 하여 접합된 파워 모듈용 기판 (10) 과 히트 싱크 (20) 의 접합체를, 가압 지그 (50) 에 장착한 상태, 요컨대, 가압한 상태에서, 30 ℃ 까지 냉각시킨다. 이 경우, 파워 모듈용 기판 (10) 과 히트 싱크 (20) 의 접합체는, 가압 지그 (50) 에 의해 두께 방향으로 가압되고, 히트 싱크 (20) 의 하면을 하방을 향한 볼록상의 휨으로 하는 변형을 발생시킨 상태로 구속되어 있다. 이 때문에, 냉각에 수반하는 접합체의 형상은 외관상은 변화가 없는 것처럼 보이지만, 응력에 저항하여 가압되어, 냉각시에 휨으로서의 변형을 할 수 없는 상태로 구속되어 있는 결과, 소성 변형이 발생한다. 그리고, 30 ℃ 까지 냉각시킨 후에, 가압 지그 (50) 에 의한 가압을 해방하여 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 을 제조한다.
히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 에서는, 이와 같이 평탄하게 형성된 파워 모듈용 기판 (10) 과 히트 싱크 (20) 사이에, 알루미늄층 (31) 과 구리층 (32) 을 적층하고, 각 부재를 고상 확산 접합에 의해 접합함으로써, 각 부재를 서로 밀착시켜 강고하게 접합할 수 있음과 함께, 각 부재를 소정 두께의 범위 내에서 형성하고, 각 부재의 관계를 비율 [(σ1 × t1 × A1)/{(σ2 × t2 × A2) + (σ3 × t3 × A3) + (σ4 × t4 × A4)}] 가 0.06 이상 0.70 이하가 되는 범위 내로 조정함으로써, 접합시의 휨을 발생시키는 일 없이 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 이 형성된다. 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 의 금속층 (13) 과 알루미늄층 (31) 사이, 알루미늄층 (31) 과 구리층 (32) 사이, 구리층 (32) 과 히트 싱크 (20) (알루미늄 함침 탄화규소 다공질체) 사이의, 이들의 서로 접합시킨 각 층의 사이는, 그 표면에 접합된 부재 중의 금속 원자, 즉, 구리와 알루미늄으로 이루어지는 금속간 화합물을 갖는 확산층 (33, 34, 35) 을 개재하여 접합된다.
히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 에서는, 파워 모듈용 기판 (10) 과 히트 싱크 (20) 사이에, 응력 완충 효과가 높은 알루미늄층 (31) 을 배치 형성함으로써, 파워 모듈용 기판 (10) 과 히트 싱크 (20) 의 열신축차에서 기인하는 열응력을 알루미늄층 (31) 에서 흡수할 수 있어, 파워 모듈용 기판 (10) 에 대한 냉열 사이클시의 부하를 완화시킬 수 있다. 또, 강성이 높고, 또한 선팽창 계수가 알루미늄 함침 탄화규소 다공질체나 세라믹스보다 큰 구리층 (32) 을 배치 형성함으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 히트 싱크 (20) 의 선팽창차에서 기인하는 휨을 저감시킬 수 있다. 예를 들어 반도체 소자의 접합 등에 있어서, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 을 가열했을 때의 열신축에 의한 휨을 저감시킬 수 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 의 균열 (크랙) 의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 파워 사이클이나 냉열 사이클에 대한 신뢰성이 높은 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 을 형성할 수 있다.
이와 같이 구성되는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 에서는, 히트 싱크 (20) 의 하면 (이면) 에 있어서, 도 7 및 도 8a ∼ 도 8c 에 나타내는 바와 같이, 히트 싱크 (20) 와 구리층 (32) 의 접합면의 중심 위치 C 를 측정 범위 E 의 중심으로 하고, 그 측정 범위 E 의 최대 길이를 L 로 하고, 측정 범위 E 에 있어서의 히트 싱크 (20) 의 변형량을 Z 로 하고, 285 ℃ 까지 가열했을 때의 휨 (Z/L2) 의 값을 X 로 하고, 280 ℃ 로 가열한 후에 30 ℃ 까지 냉각시켰을 때의 휨 (Z/L2) 의 값을 Y 로 했을 때, 이들 휨 X 와 휨 Y 의 차분 (Y - X) 이 -18.0 × 10-6 (㎜-1) 이상 18.0 × 10-6 (㎜-1) 이하가 되고, 고온시 (285 ℃) 와 저온시 (30 ℃) 와 휨의 변화량을 작게 할 수 있다. 여기서, 히트 싱크 (20) 의 변형량 Z 는, 회로층측에 볼록한 변형을 정, 히트 싱크 (20) 의 하면측에 볼록한 변형을 부로 하였다.
또, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 은, 285 ℃ 로 가열했을 때의 휨 (Z/L2) 의 값 X 가 -50 × 10-6 (㎜-1) 이상 50 × 10-6 (㎜-1) 이하가 되고, 285 ℃ 로 가열한 후에 30 ℃ 까지 냉각시켰을 때의 휨 (Z/L2) 의 값 Y 가 -50 × 10-6 (㎜-1) 이상 50 × 10-6 (㎜-1) 이하가 된다.
휨 X 및 Y 가 50 × 10-6 (㎜-1) 을 초과하는 경우에서는, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 을 수랭식 냉각기 등에 체결했을 때, 히트 싱크 (20) 와 수랭식 냉각기 사이에 사용하는 그리스의 양이 많이 필요해져, 열저항이 상승할 우려가 있다. 또, 휨 X 및 Y 가 -50 × 10-6 (㎜-1) 미만이 되었을 경우, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 을 수랭식 냉각기 등에 체결했을 때, 세라믹스 기판 (11) 에 부하가 가해져, 균열 등이 발생할 우려가 있다.
또한, 회로층의 두께 t1 및 금속층의 두께 t2 가 0.1 ㎜ 미만에서는, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12), 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) 의 각각의 접합에 사용한 접합재가 가열시에 회로층 (12) 의 표면에 스며나올 우려가 있다. 또, 두께 t1 및 두께 t2 가 3.0 ㎜ 를 초과하면, 예를 들어, 반도체 소자를 접합할 때 등에 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 을 가열했을 경우에, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생할 우려가 있다.
또, 알루미늄층 (31) 의 두께 t3 이 3.0 ㎜ 를 초과하면, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 의 휨이 커짐과 함께, 두께 t3 을 늘린 것에 의한 열저항이 커져, 냉각 성능을 저하시킨다. 또한, 알루미늄층 (31) 의 두께 t3 은, 0.01 ㎜ 이상인 것이 바람직하다. 두께 t3 이 0.01 ㎜ 미만이면, 금속층 (13) 과 알루미늄층 (31), 및 알루미늄층 (31) 과 구리층 (32) 의 접합성이 저하될 우려가 있다.
또, 구리층 (32) 의 두께 t4 가 0.1 ㎜ 미만에서는, 구리층 (32) 을 형성한 것에 의한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 에 발생하는 휨의 저감 효과를 충분히 발휘할 수 없다. 그리고, 두께 t4 가 5.0 ㎜ 를 초과하면, 고강성 또한 고선팽창률인 구리층 (32) 으로부터의 큰 응력이 세라믹스 기판 (11) 에 가해지기 때문에, 예를 들어, 반도체 소자를 접합할 때 등에 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (101) 을 가열했을 경우에, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생할 우려가 있다.
또한, 본 발명은, 상기 실시형태의 것에 한정되는 것은 아니며, 세부 구성에 있어서는, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지 변경을 가하는 것이 가능하다.
실시예
이하, 본 발명의 효과를 확인하기 위해서 실시한 실시예에 대해 설명한다. 표 1 에 기재되는 바와 같이, 회로층의 재질 (내력 σ1), 회로층의 두께 t1 및 접합 면적 A1 과, 금속층의 재질 (내력 σ2), 금속층의 두께 t2 및 접합 면적 A2 와, 알루미늄층의 재질 (내력 σ3), 알루미늄층의 두께 t3 및 접합 면적 A3 과, 구리층의 재질 (내력 σ4), 구리층의 두께 t4 및 접합 면적 A4 를 변경한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 제조하였다. 각 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 시료는, 세라믹스 기판의 양측에 회로층과 금속층을 배치 형성한 파워 모듈용 기판을 제조한 후, 각 파워 모듈용 기판의 금속층과 히트 싱크를 알루미늄층 및 구리층을 개재하여 고상 확산 접합함으로써, 제조하였다.
회로층이 되는 구리판에는, 표 1 에 나타내는 바와 같이, OFC (선팽창률 : 17.7 × 10-6/K, 내력 : 200 ㎫) 나 ZC (선팽창률 : 17.7 × 10-6/K, 내력 : 270 ㎫) 로 이루어지는 평면 사이즈가 37 ㎜ × 37 ㎜ 인 사각형판을 사용하였다. 금속층이 되는 구리판에는, OFC (선팽창률 : 17.7 × 10-6/K, 내력 : 200 ㎫) 나 ZC (선팽창률 : 17.7 × 10-6/K, 내력 : 270 ㎫) 로 이루어지는 평면 사이즈가 37 ㎜ × 37 ㎜ 인 사각형판을 사용하였다. 세라믹스 기판은, AlN (선팽창률 : 4.5 × 10-6/K) 으로 이루어지는 두께 t6 = 0.635 ㎜, 평면 사이즈 40 ㎜ × 40 ㎜ 의 사각형판을 사용하였다.
각 구리판과 세라믹스 기판의 접합에는 Ag-Ti 계 활성 금속 브레이징재를 사용하여, 구리판, 활성 금속 브레이징재, 세라믹스 기판을 적층하고, 적층 방향으로 가압 하중 0.1 ㎫, 가열 온도 850 ℃, 가열 시간 10 분으로 가압·가열하고, 회로층이 되는 구리판과 세라믹스 기판, 금속층이 되는 구리판과 세라믹스 기판을 각각 접합하여, 파워 모듈용 기판을 제조하였다.
알루미늄층이 되는 알루미늄판에는, 4N-Al (선팽창률 : 23.6 × 10-6/K, 내력 : 28 ㎫) 로 이루어지는 평면 사이즈가 37 ㎜ × 37 ㎜ 인 사각형판을 사용하였다. 또, 구리층이 되는 구리판에는, OFC (선팽창률 : 17.7 × 10-6/K, 내력 200 ㎫) 로 이루어지는 평면 사이즈가 37 ㎜ × 37 ㎜ 인 사각형판을 사용하였다.
표 1 의 접합 면적 A1 ∼ A4 는, 각각 회로층, 금속층, 알루미늄층, 구리층이 되는 금속판의 평면 사이즈로부터 산출한 값이고, 이들 값을 사용하여 표 2 에 나타내는 비율 S = [(σ1 × t1 × A1)/{(σ2 × t2 × A2) + (σ3 × t3 × A3) + (σ4 × t4 × A4)}] 를 산출하였다.
히트 싱크는, 탄화규소 (SiC) 에 Al-Si 계 합금을 함침한 알루미늄 함침 탄화규소 다공질체 (선팽창률 : 8.5 × 10-6/K) 로 이루어지고, 전체의 두께 t5 = 5.0 ㎜, 평면 사이즈 50 ㎜ × 60 ㎜ 의 사각형판이 되고, 표리면의 피복층의 두께 t151 이 100 ㎛ 로 형성된 것을 사용하였다. 그리고, 이들 파워 모듈용 기판, 알루미늄판, 구리판, 히트 싱크를 순서대로 적층하고, 표 1 에 기재한 바와 같이, 곡률 반경 R 의 가압면을 갖는 가압판을 사용하여, 진공 분위기 중에서, 가압 하중 2.1 ㎫, 가열 온도 510 ℃, 가열 시간 150 분으로 가압·가열하고, 각 층을 고상 확산 접합에 의해 접합하여, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 제조하였다. 또한, 곡률 반경 R 이 「∞」 인 경우에는, 가압면이 평면인 것을 나타낸다.
얻어진 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 각 시료의 종단면을 크로스섹션 폴리셔 (닛폰 전자 주식회사 제조 SM-09010, 이온 가속 전압 : 5 ㎸, 가공 시간 : 14 시간, 차폐판으로부터의 돌출량 : 100 ㎛) 를 사용하여 이온 에칭한 후에 관찰하였다. 그리고, 금속층과 알루미늄층의 접합 계면에 형성된 확산층의 두께, 알루미늄층의 두께, 알루미늄층과 구리층의 접합 계면에 형성된 확산층의 두께의 3 개를 측정하였다.
알루미늄층과 각 확산층의 두께는, 금속층, 알루미늄층 및 구리층의 접합 계면의 두께 방향으로 EPMA (닛폰 전자 주식회사 제조 JXA-8530F, 가속 전압 : 15 ㎸, 스폿 직경 : 1 ㎛ 이하, 배율 : 500 배, 간격 : 0.3 ㎛) 에 의한 라인 분석을 실시함으로써 측정하였다. 라인 분석에 있어서, (1) 알루미늄 (Al) 농도가 90 atm％ 이상이 되는 지점을 알루미늄층으로 하고, (2) 구리 (Cu) 농도가 99 atm％ 이상이 되는 지점을 구리층으로 하고, (3) 알루미늄 농도가 90 atm％ 미만이고, 또한 구리 (Cu) 농도가 99 atm％ 미만이 되는 지점을 확산층인 것으로 하고, 각각의 두께를 측정하였다. 그리고, 얻어진 알루미늄층의 두께와, 알루미늄층의 양측에 형성된 각 확산층의 두께로부터, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판을 구성하는 금속층, 구리층, 두께를 산출하였다. 또한, 확산층의 두께는, 금속층과 알루미늄층의 접합 계면에 형성된 확산층의 두께와, 알루미늄층과 구리층의 접합 계면에 형성된 확산층의 두께의 평균값으로 하였다.
히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 각 시료에 대해, 「변형량 Z」, 「세라믹스 균열」, 「소자 위치 어긋남」 을, 각각 평가하였다.
변형량 Z 의 측정은, (1) 280 ℃ 가열시, (2) 280 ℃ 가열 후에 30 ℃ 까지 냉각시켰을 때의 측정을 실시하였다. 그리고, 각 시점에 있어서의 히트 싱크 하면 (이면) 의 평면도의 변화를, JESD22-B112 나 JEITA ED-7306 에 준거하는 모아레 간섭법에 의해 측정하였다.
모아레 간섭법은, 일정한 피치, 폭으로 형성된 회절 격자를 개재하여 측정광을 측정면에 조사하고, 그 측정면에서 산란한 산란광을 회절 격자를 개재하여 촬상부에서 촬상함으로써, 모아레 간섭 무늬를 얻고, 그 모아레 간섭 무늬와 회절 격자의 피치나 폭 등의 정보에 기초하여, 측정면의 변형량을 측정하는 방법이다. 또한, 측정 장치는, AkroMetrix 사 제조의 Thermoire PS200 을 사용하였다.
본 실시예에서는, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 히트 싱크 (20) 와 구리층 (32) 의 접합면의 중심 위치 C 를 측정 범위 E 의 중심으로 하고, 그 측정 범위 E (도 8a ∼ 도 8c 참조) 에 있어서의 히트 싱크의 하면의 변형량 Z 를 측정하였다. 또, 변형량 Z 는, 회로층측에 볼록한 변형을 정으로 하고, 히트 싱크 하면측에 볼록한 변형을 부로 하였다.
측정 범위 E 는, 도 7 및 도 8a 에 나타내는 바와 같이, W : 36 ㎜ × H : 36 ㎜ 의 사각형상의 범위이고, 이 경우, 측정 범위 E 의 대각선의 길이가 최대 길이 L 이 된다. 또, 변형량 Z 는, 도 8b 또는 도 8c 에 나타내는 바와 같이, 측정 범위 E 의 대각선 상에 있어서의 측정값의 최대값과 최소값의 차이다. 그리고, 변형량 Z 와 최대 길이 L 로부터, 휨 (Z/L2) 을 산출하였다.
세라믹스 균열은, 상기 가열 시험 후에 초음파 탐상기에 의해 세라믹스 기판을 관찰하고, 세라믹스 기판에 크랙이 발생하고 있으면 불합격으로 하고, 크랙이 발생하지 않으면 합격으로 판정하였다. 또, 소자 위치 어긋남은, 전자 부품을 회로층에 솔더링한 후에, 그 솔더링 위치를 계측함으로써, 위치 어긋남 발생의 유무를, 시료를 30 개 제조하여 확인하였다. 그리고, 0.2 ㎜ 이상의 위치 어긋남이 발생했을 경우를 불합격으로 하고, 0.2 ㎜ 미만의 위치 어긋남의 경우에는 합격으로 평가하였다.
그리고, 각각 시료 30 개에 대해 실시한 각 평가에 있어서, 합격의 비율이 90 ％ 이상인 경우를 「양호」, 합격의 비율이 90 ％ 미만인 경우를 「불량」 으로 평가하였다. 표 3 에 결과를 나타낸다.
Figure 112019086029548-pct00001
Figure 112019086029548-pct00002
Figure 112019086029548-pct00003
표 1 ∼ 3 으로부터 알 수 있는 바와 같이, 두께 t1 과 두께 t2 가 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하, 알루미늄층의 두께 t3 이 3.0 ㎜ 이하, 구리층의 두께 t4 가 0.1 ㎜ 이상 5.0 ㎜ 이하이고, 비율 [(σ1 × t1 × A1)/{(σ2 × t2 × A2) + (σ3 × t3 × A3) + (σ4 × t4 × A4)}] 가 0.06 이상 0.7 이하의 범위 내가 되는 No.1 ∼ 29 의 시료에 대해서는, 차분 (Y - X) 이 -18.0 × 10-6 (㎜-1) 이상 18.0 × 10-6 (㎜-1) 이하가 되었다. 그리고, 이들 No.1 ∼ 29 의 시료에 있어서는, 「세라믹스 균열」, 「소자 위치 어긋남」 중 어느 평가에 있어서도 양호한 결과가 얻어졌다.
한편, 두께 t1 이나 두께 t2, 비율 [(σ1 × t1 × A1)/{(σ2 × t2 × A2) + (σ3 × t3 × A3) + (σ4 × t4 × A4)}] , 두께 t3, 두께 t4 의 조건이, 상기 범위에서 벗어나는 No.100 ∼ 105 의 시료나 구리층 및 알루미늄층을 형성하지 않았던 No.106 의 시료에 대해서는, 차분 (Y - X) 이 -18 × 10-6 (㎜-1) 이상 18.0 × 10-6 (㎜-1) 이하의 범위에서 벗어나고, 휨의 변화량이 커져, 「소자 위치 어긋남」 이 발생한 시료나, 「세라믹스 균열」 이 발생한 시료가 확인되었다.
온도 변화에 수반하는 세라믹스 기판의 균열의 발생을 억제할 수 있고, 파워 사이클이나 냉열 사이클에 대한 신뢰성을 높일 수 있다.
10 파워 모듈용 기판
11 세라믹스 기판
12 회로층
13 금속층
20 히트 싱크
21 다공질체
22 피복층
31 알루미늄층
32 구리층
33, 34, 35 확산층
50 가압 지그
51, 52 가압판
101 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판
201 파워 모듈

Claims (5)

  1. 세라믹스 기판의 일방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 회로층이 배치 형성되고, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판과,
    상기 금속층에 접합된 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄층과,
    상기 알루미늄층에 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 구리층과,
    상기 구리층에 접합되고, 탄화규소로 이루어지는 다공질체에 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 함침된 알루미늄 함침 탄화규소 다공질체로 이루어지는 히트 싱크를 구비하고,
    상기 금속층과 상기 알루미늄층 사이, 상기 알루미늄층과 상기 구리층 사이, 상기 구리층과 상기 알루미늄 함침 탄화규소 다공질체 사이에, 알루미늄과 구리의 금속간 화합물을 갖는 확산층이 형성되어 있고,
    상기 회로층의 내력을 σ1 (㎫), 상기 회로층의 두께를 t1 (㎜), 상기 회로층과 상기 세라믹스 기판의 접합 면적을 A1 (㎟) 로 하고, 상기 금속층의 내력을 σ2 (㎫), 상기 금속층의 두께를 t2 (㎜), 상기 금속층과 상기 세라믹스 기판의 접합 면적을 A2 (㎟) 로 하고, 상기 알루미늄층의 내력을 σ3 (㎫), 상기 알루미늄층의 두께를 t3 (㎜), 상기 금속층과 상기 알루미늄층의 접합 면적을 A3 (㎟) 으로 하고, 상기 구리층의 내력을 σ4 (㎫), 상기 구리층의 두께를 t4 (㎜), 상기 알루미늄층과 상기 구리층의 접합 면적을 A4 (㎟) 로 했을 때,
    상기 두께 t1 이 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하로 형성되고,
    상기 두께 t2 가 0.1 ㎜ 이상 3.0 ㎜ 이하로 형성되고,
    상기 두께 t3 이 3.0 ㎜ 이하로 형성되고,
    상기 두께 t4 가 0.1 ㎜ 이상 5.0 ㎜ 이하로 형성되어 있고,
    비율 [(σ1 × t1 × A1)/{(σ2 × t2 × A2) + (σ3 × t3 × A3) + (σ4 × t4 × A4)}] 가 0.06 이상 0.70 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 싱크의 하면에 있어서,
    상기 히트 싱크와 상기 구리층의 접합면의 중심 위치를 측정 범위의 중심으로 하고, 그 측정 범위의 최대 길이를 L (㎜) 로 하고, 상기 측정 범위에 있어서의 상기 히트 싱크의 변형량을 Z (㎜) 로 하고,
    285 ℃ 로 가열했을 때의 휨 (Z/L2) 의 값을 X 로 하고,
    상기 285 ℃ 로 가열한 후에 30 ℃ 까지 냉각시켰을 때의 휨 (Z/L2) 의 값을 Y 로 했을 때,
    상기 휨 X 와 상기 휨 Y 의 차분 (Y - X) 이 -18.0 × 10-6 (㎜-1) 이상 18.0 × 10-6 (㎜-1) 이하가 되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로층의 두께 t1 과 상기 금속층의 두께 t2 의 비율 (t1/t2) 이 0.75 이상 1.25 미만인 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 휨 X 가 -50 × 10-6 (㎜-1) 이상 50 × 10-6 (㎜-1) 이하이고, 상기 휨 Y 가 -50 × 10-6 (㎜-1) 이상 50 × 10-6 (㎜-1) 이하인 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄층의 두께 t3 이 0.01 ㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
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