KR20140142235A

KR20140142235A - 파워 모듈용 기판, 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법

Info

Publication number: KR20140142235A
Application number: KR1020147023551A
Authority: KR
Inventors: 노부유키 데라사키; 요시유키 나가토모; 요시로우 구로미츠
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-12-11
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: EP2833398A1; US20150041188A1; EP2833398B1; EP2833398A4; CN104205323A; JP2013229545A; US9723707B2; KR101971756B1; CN104205323B; JP5403129B2; IN2014DN08073A; WO2013147144A1

Abstract

본 발명에 관련된 파워 모듈용 기판에 있어서, 회로층 (12) 은 절연층 (11) 의 일방의 면에 배치 형성된 알루미늄층 (12A) 과, 이 알루미늄층 (12A) 의 일방측에 적층된 구리층 (12B) 을 갖고, 상기 알루미늄층 (12A) 과 상기 구리층 (12B) 은 고상 확산 접합되어 있다.

Description

파워 모듈용 기판, 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법{SUBSTRATE FOR POWER MODULE, SUBSTRATE FOR POWER MODULE WITH HEAT SINK, POWER MODULE, AND METHOD FOR MANUFACTURING SUBSTRATE FOR POWER MODULE}

이 발명은, 절연층의 일방의 면에 회로층이 형성된 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈용 기판에 히트 싱크가 접합된 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판, 파워 모듈용 기판에 반도체 소자가 접합된 파워 모듈 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 관한 것이다.

본원은, 2012 년 03 월 30 일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2012-083249호 및 2012 년 09 월 14 일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2012-203362호에 대해 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

각종 반도체 소자 중에서도, 전기 자동차나 전기 차량 등을 제어하기 위해서 사용되는 대전력 제어용의 파워 소자는 발열량이 많다. 따라서, 이 파워 소자를 탑재하는 기판으로는, 예를 들어 AlN (질화알루미늄) 등으로 이루어지는 세라믹스 기판 (절연층) 상에 도전성이 우수한 금속판을 회로층으로서 접합한 파워 모듈용 기판이 종래부터 널리 사용되고 있다.

그리고, 이와 같은 파워 모듈용 기판은, 그 회로층 상에 땜납재를 개재하여 파워 소자로서의 반도체 소자가 탑재되어 파워 모듈로 된다. 또한, 이런 종류의 파워 모듈용 기판으로는, 세라믹스 기판의 하면에도 반도체 소자에서 기인되는 열을 방열하기 위해서, 열전도성이 우수한 히트 싱크를 접합시켜 그 열을 방열시키는 구조로 한 것이 알려져 있다.

회로층을 구성하는 금속으로는, Al (알루미늄) 이나 Cu (구리) 등이 사용되고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 에는, 세라믹스 기판의 일방의 면에 알루미늄판으로 이루어지는 회로층이 접합된 파워 모듈용 기판이 제안되어 있다.

또, 특허문헌 2 에는, 세라믹스 기판의 일방의 면에 구리판으로 이루어지는 회로층이 접합된 파워 모듈용 기판이 제안되어 있다.

일본 특허공보 제3171234호 일본 특허공보 제3211856호

그런데, 특허문헌 1 에서 나타내는 파워 모듈에 있어서는, 회로층이 비교적 변형 저항이 작은 알루미늄판으로 구성되어 있다. 따라서, 히트 사이클이 부하되었을 때에, 세라믹스 기판과 회로층 사이에 발생하는 열응력을 회로층에 의해 흡수할 수는 있지만, 파워 사이클이 부하되었을 때에, 반도체 소자와 회로층을 접합시키는 땜납에 균열이 발생하여 파워 모듈의 신뢰성이 저하되는 경우가 있다. 또, 알루미늄은 구리와 비교하여 열전도성이 열등하므로, 알루미늄판으로 구성된 회로층은 구리로 구성된 회로층과 비교하여 방열성이 열등하다. 또한, 알루미늄판에서는, 그 표면에 알루미늄의 산화 피막이 형성되기 때문에, 그 상태에서 회로층과 반도체 소자를 땜납으로 양호하게 접합시키는 것은 곤란하다.

한편, 특허문헌 2 에 나타내는 바와 같이, 회로층이 구리판으로 구성되어 있는 경우에는 구리는 비교적 변형 저항이 높다. 따라서, 히트 사이클이 부하되었을 때에, 세라믹스 기판과 구리판 사이에 발생하는 열응력에 의해 세라믹스 기판에 균열이 발생하는 경우가 있었다.

특히, 최근에는 파워 모듈의 소형화ㆍ박육화가 진행됨과 함께, 그 사용 환경도 까다로워지고 있고, 반도체 소자로부터의 발열량이 커지고 있다. 그 결과, 히트 사이클 및 파워 사이클에 의한 부하에 대해 신뢰성에 관한 파워 모듈의 요건이 까다로워지고 있다. 그래서, 알루미늄으로 회로층을 구성한 경우에는, 파워 사이클이 부하되었을 때에 파워 모듈의 신뢰성이 저하되는 것이 문제가 된다. 또, 구리로 회로층을 구성한 경우에는, 히트 사이클이 부하되었을 때에 파워 모듈의 신뢰성이 저하되는 것이 문제가 된다.

이와 같이 구리로 구성된 회로층은, 파워 사이클에 대한 신뢰성은 높지만, 히트 사이클에 대한 신뢰성이 저하된다. 또, 알루미늄으로 구성된 회로층은 히트 사이클에 대한 신뢰성은 높지만, 파워 사이클에 대한 신뢰성이 저하된다. 따라서, 종래에는 파워 사이클 혹은 히트 사이클 중 어느 한 쪽의 신뢰성을 우선시킬 수 밖에 없고, 히트 사이클 및 파워 사이클에 대한 파워 모듈의 신뢰성을 양립시킬 수는 없었다.

이 발명은, 파워 사이클 부하시에 있어서 열저항의 상승을 억제함과 함께, 히트 사이클 부하시에 있어서 세라믹스 기판에 균열이 발생하는 것을 억제하여, 파워 사이클 및 히트 사이클의 부하에 대해 높은 신뢰성을 갖는 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공한다.

전술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 관련된 일 양태의 파워 모듈용 기판은, 절연층과, 이 절연층의 일방의 면에 형성된 회로층을 구비한 파워 모듈용 기판으로서, 상기 회로층은, 상기 절연층의 일방의 면에 배치 형성된 알루미늄층과, 이 알루미늄층의 일방측에 적층된 구리층을 갖고, 상기 알루미늄층과 상기 구리층은 고상 (固相) 확산 접합되어 있다.

본 발명에 관련된 파워 모듈용 기판에 따르면, 회로층이 구리층을 갖고 있다. 이 구리층 상에 반도체 소자가 탑재된 경우에는, 반도체 소자로부터 발생하는 열을 파워 모듈용 기판측으로 전달할 때에, 그 열을 회로층의 구리층에서 면방향으로 확산시켜 효율적으로 그 열을 방산시킬 수 있다.

또한, 절연층의 일방의 면에 비교적 변형 저항이 작은 알루미늄층이 형성되어 있고, 히트 사이클이 부하된 경우에 절연층과 회로층의 열팽창 계수의 차이에서 기인되어 발생하는 열응력을 알루미늄층이 흡수하므로, 절연층에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있어 접합에 대한 높은 신뢰성을 얻을 수 있다.

또, 알루미늄층의 일방측에는 비교적 변형 저항이 큰 구리층이 형성되어 있으므로, 파워 사이클이 부하된 경우에 회로층의 변형을 억제할 수 있다. 그래서, 파워 사이클에 대한 파워 모듈용 기판의 신뢰성을 얻을 수 있다.

또한, 알루미늄층과 구리층은 고상 확산 접합에 의해 접합되어 있으므로, 히트 사이클이 부하된 경우에, 알루미늄층과 구리층 사이에 박리가 발생하는 것이 억제되어 회로층의 열전도성 및 도전성을 유지할 수 있다.

또, 알루미늄층의 일방측이란, 절연층과 접합되어 있지 않은 면측을 말한다.

또한, 상기 알루미늄층과 상기 구리층의 접합 계면에는 Cu 와 Al 로 이루어지는 확산층이 형성되어 있고, 상기 확산층은 복수의 금속 간 화합물이 상기 접합 계면을 따라 적층된 구조로 되고, 상기 구리층과 상기 확산층의 접합 계면에는 산화물이 상기 접합 계면을 따라 층상으로 분산되어 있는 구성으로 해도 된다.

알루미늄층과 구리층의 접합 계면에 Cu 와 Al 로 이루어지는 확산층이 형성되어 있기 때문에, 알루미늄층 중의 Al (알루미늄 원자) 와 구리층 중의 Cu (구리 원자) 가 충분히 상호 확산되어 있고, 알루미늄층과 구리층이 강고하게 접합되어 있다.

또, 구리층과 확산층의 접합 계면에는 산화물이 접합 계면을 따라 층상으로 분산되어 있기 때문에, 알루미늄층의 표면에 형성된 산화막이 파괴되어 고상 확산 접합이 충분히 진행되고 있다.

또한, 상기 구리층의 두께는 0.1 ㎜ 이상 6.0 ㎜ 이하로 되어 있어도 된다.

상기의 범위로 구리층의 두께를 설정함으로써, 반도체 소자로부터 발생하는 열이 파워 모듈용 기판측으로 전달될 때에, 회로층의 구리층에서 면방향으로 열을 확산시켜 보다 효율적으로 그 열을 방산시킬 수 있다. 따라서, 파워 사이클 부하시의 초기 열저항을 저감시킬 수 있다. 또한, 파워 사이클 부하 후에도 땜납에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있으므로, 열저항의 상승을 억제할 수 있다.

또, 본 발명에 관련된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은, 상기 파워 모듈용 기판과, 이 파워 모듈용 기판의 타방측에 접합된 히트 싱크를 구비하고 있다.

본 발명에 관련된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 따르면, 상기 서술한 바와 같은 파워 모듈용 기판의 타방측에 히트 싱크가 접합되어 있으므로, 파워 모듈용 기판측의 열을 히트 싱크에 효율적으로 방산시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 관련된 파워 모듈은, 상기 파워 모듈용 기판과 상기 회로층의 일방측에 접합된 반도체 소자를 구비하고 있다.

본 발명에 관련된 파워 모듈에 따르면, 상기 서술한 바와 같은 파워 모듈용 기판을 사용하고 있으므로, 파워 사이클이 부하된 경우에, 반도체 소자로부터 발생하는 열이 파워 모듈용 기판측으로 전달될 때에, 회로층의 구리층에서 면방향으로 확산시켜 효율적으로 그 열을 방산시킬 수 있다. 그리고, 반도체 소자의 온도 상승을 억제하여, 소정의 온도에서 반도체 소자를 동작시킬 수 있고 동작의 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.

또, 본 발명에 관련된 파워 모듈은, 반도체 소자가 땜납을 개재하여 구리층에 접합되는 구성으로 되어 있으므로, 알루미늄으로 회로층을 구성한 파워 모듈의 경우와 비교하여 땜납 접합을 양호하게 실시할 수 있다.

또한, 회로층의 일방측이란 절연층과 접합되어 있지 않은 면측을 말한다.

본 발명에 관련된 다른 양태의 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 절연층과, 이 절연층의 일방의 면에 형성된 회로층을 구비한 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 절연층의 일방의 면에 회로층을 형성하는 회로층 형성 공정을 구비하고, 상기 회로층 형성 공정은, 상기 절연층의 일방의 면에 알루미늄층을 배치 형성하는 알루미늄층 배치 형성 공정과, 상기 알루미늄층의 일방측에 구리층을 적층시키는 구리층 적층 공정을 갖고, 상기 구리층 적층 공정에 있어서, 상기 알루미늄층과 상기 구리층을 고상 확산 접합시킨다.

본 발명에 관련된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 따르면, 회로층 형성 공정은, 알루미늄층 배치 형성 공정과 구리층 적층 공정을 구비하고, 구리층 적층 공정에 있어서 알루미늄층과 구리층을 고상 확산 접합시키는 구성으로 되어 있다. 따라서, 알루미늄층과 구리층이 고상 확산에 의해 접합된 회로층을 구비한 파워 모듈용 기판을 얻을 수 있다.

또, 상기 구리층 적층 공정에 있어서, 상기 알루미늄층의 일방측에 구리층을 적층시키고, 상기 알루미늄층과 상기 구리층에 대해 3 kgf/㎠ 이상 35 kgf/㎠ 이하의 하중을 부하한 상태에서 400 ℃ 이상 548 ℃ 미만으로 유지함으로써, 상기 알루미늄층과 상기 구리층을 고상 확산 접합시키는 구성으로 되어도 된다.

이와 같은 조건에서 고상 확산 접합을 실시함으로써, 알루미늄층과 구리층을 확실히 고상 확산에 의해 접합시킬 수 있다. 또, 알루미늄층과 구리층의 계면에 간극이 형성되는 것을 억제할 수 있다.

본 발명에 따르면, 파워 사이클 부하시에 있어서 열저항의 상승을 억제함과 함께, 히트 사이클 부하시에 있어서 세라믹스 기판에 균열이 발생하는 것을 억제하여, 파워 사이클 및 히트 사이클의 부하에 대해 높은 신뢰성을 갖는 파워 모듈용 기판, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 실시형태에 관련된 파워 모듈, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 파워 모듈용 기판의 개략 설명도이다.
도 2 는 도 1 의 알루미늄층과 구리층의 계면의 확대도이다.
도 3 은 도 2 의 확산층의 확대 설명도이다.
도 4 는 본 발명의 실시형태에 관련된 파워 모듈의 제조 방법을 설명하는 플로우도이다.
도 5 는 본 발명의 실시형태에 관련된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법의 개략 설명도이다.

이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 1 에 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈 (1), 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30), 파워 모듈용 기판 (10) 을 나타낸다.

이 파워 모듈 (1) 은, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 과, 이 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 의 일방측 (도 1 에 있어서 상측) 에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 소자 (3) 를 구비하고 있다.

땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-Cu 계, Sn-In 계, 또는 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재 (이른바 납 프리 땜납재) 이고, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 과 반도체 소자 (3) 를 접합시킨다.

반도체 소자 (3) 는, 반도체를 구비한 전자 부품이며, 필요로 하는 기능에 따라 각종 반도체 소자가 선택된다. 본 실시형태에서는 IGBT 소자로 되어 있다.

히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 은, 파워 모듈용 기판 (10) 과 파워 모듈용 기판 (10) 의 타방측 (도 1 에 있어서 하측) 에 접합된 히트 싱크 (31) 를 구비하고 있다.

그리고, 파워 모듈용 기판 (10) 은, 도 1 에서 나타내는 바와 같이 세라믹스 기판 (11) (절연층) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 형성된 회로층 (12) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 1 에 있어서 하면) 에 형성된 금속층 (13) 을 구비하고 있다. 즉, 세라믹스 기판 (11) 은 제 1 면 (일방의 면) 과 제 2 면 (타방의 면) 을 갖고, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에는 회로층 (12) 이 형성되고, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면에는 금속층 (13) 이 형성된다.

세라믹스 기판 (11) 은, 회로층 (12) 과 금속층 (13) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다.

금속층 (13) 은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면 (도 1 에 있어서 하면) 에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속판이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 알루미늄판 (23) 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.

회로층 (12) 은, 도 1 에서 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 배치 형성된 알루미늄층 (12A) 과, 이 알루미늄층 (12A) 의 일방측 (도 1 에 있어서 상측) 에 적층된 구리층 (12B) 을 갖고 있다.

알루미늄층 (12A) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 알루미늄판 (22A) 이 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 알루미늄층 (12A) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 알루미늄판 (22A) 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.

구리층 (12B) 은, 알루미늄층 (12A) 의 일방측 (도 1 에 있어서 상측) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.

본 실시형태에 있어서는, 구리층 (12B) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이 무산소동의 압연판으로 이루어지는 구리판 (22B) 이 알루미늄층 (12A) 에 고상 확산 접합됨으로써 형성되어 있다.

그리고, 이들 알루미늄층 (12A) 과 구리층 (12B) 의 계면에는 도 2 에서 나타내는 바와 같이 확산층 (12C) 이 형성되어 있다. 이 구리층 (12B) 의 두께는 0.1 ㎜ 이상 6.0 ㎜ 이하로 설정되어 있는 것이 바람직하다.

확산층 (12C) 은, 알루미늄층 (12A) 의 알루미늄 원자와 구리층 (12B) 의 구리 원자가 상호 확산됨으로써 형성된다. 이 확산층 (12C) 에 있어서는, 알루미늄층 (12A) 으로부터 구리층 (12B) 을 향함에 따라, 점차 알루미늄 원자의 농도가 낮아지고, 또한 점차 구리 원자의 농도가 높아지는 농도 구배를 갖고 있다.

도 3 에 확산층 (12C) 의 확대 설명도를 나타낸다. 이 확산층 (12C) 은, Cu 와 Al 로 이루어지는 금속 간 화합물로 구성되어 있고, 본 실시형태에서는 복수의 금속 간 화합물이 접합 계면을 따라 적층된 구조로 되어 있다. 여기서, 이 확산층 (12C) 의 두께 (t) 는 1 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내, 바람직하게는 5 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.

본 실시형태에서는, 도 3 에 나타내는 바와 같이 3 종의 금속 간 화합물이 적층된 구조로 되어 있다. 파워 모듈용 기판 (10) 의 두께 방향에 있어서, 알루미늄층 (12A) 으로부터 구리층 (12B) 을 향해 차례로, θ 상 (16), η2 상 (17), ζ2 상 (18) 으로 되어 있다.

또, 이 확산층 (12C) 과 구리층 (12B) 의 접합 계면에는 산화물 (19) 이 접합 계면을 따라 층상으로 분산되어 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서는, 이 산화물 (19) 은 알루미나 (Al₂O₃) 등의 알루미늄 산화물로 되어 있다. 또한, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 산화물 (19) 은 확산층 (12C) 과 구리층 (12B) 의 계면에 분단된 상태로 분산되어 있고, 확산층 (12C) 과 구리층 (12B) 이 직접 접촉되어 있는 영역도 존재하고 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 구리층 (12B) 의 평균 결정 입경이 50 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하인 범위 내로 되고, 알루미늄층 (12A) 의 평균 결정 입경이 500 ㎛ 이상으로 되어 있다.

히트 싱크 (31) 는 파워 모듈용 기판 (10) 의 열을 방산시키기 위한 것이다. 히트 싱크 (31) 는, 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 본 실시형태에 있어서는 A6063 (Al 합금) 으로 구성되어 있다. 이 히트 싱크 (31) 에는 냉각용 유체가 흐르기 위한 유로 (32) 가 형성되어 있다.

그리고, 본 실시형태에 있어서는, 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 가 접합층 (33) 을 개재하여 접합되어 있다.

접합층 (33) 은, 파워 모듈용 기판 (10) 과 히트 싱크 (31) 를 접합시킨다. 본 실시형태에 있어서는, 도 5 에 나타내는 바와 같이 무산소동의 압연판으로 이루어지는 구리판 (43) 이, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 사이에 배치되어 고상 확산 접합됨으로써, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 가 접합층 (33) 을 개재하여 접합되게 되어 있다. 이 접합층 (33) 에는 상호 확산에 의한 알루미늄과 구리의 농도 구배가 형성되어 있다. 접합층 (33) 은, 금속층 (13) 으로부터 히트 싱크 (31) 를 향함에 따라, 점차 구리 원자의 농도가 낮아지고, 또한 점차 알루미늄 원자의 농도가 높아지는 농도 구배를 갖고 있다.

다음으로, 본 실시형태인 파워 모듈 (1), 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30), 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법에 대해 도 4 및 도 5 를 이용하여 설명한다.

먼저, 도 5 에서 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 및 제 2 면에 Al-Si 계의 납재를 개재하여 알루미늄판 (22A, 23) 을 적층시킨다. 그리고, 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (22A, 23) 을 가압ㆍ가열 후 냉각시킴으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 알루미늄판 (22A, 23) 을 접합시켜 알루미늄층 (12A) 및 금속층 (13) 을 형성한다 (알루미늄층 및 금속층 접합 공정 S11). 또한, 이 납땜의 온도는 640 ℃ ∼ 650 ℃ 로 설정되어 있다.

다음으로, 도 5 에서 나타내는 바와 같이 알루미늄층 (12A) 의 제 1 면에 구리판 (22B) 을 배치하고, 금속층 (13) 의 타방측에 구리판 (43) 을 배치하고, 구리판 (43) 의 타방측에는 추가로 히트 싱크 (31) 를 배치한다. 그리고, 세라믹스 기판 (11) 과 그 양면에 형성된 알루미늄층 (12A) 및 금속층 (13) 에 구리판 (22B) 과 구리판 (43) 과 히트 싱크 (31) 를 상기 서술한 바와 같이 배치한 것에 일방측 및 타방측으로부터 하중을 부하하고, 진공 가열로 안에 배치한다. 본 실시형태에 있어서는, 알루미늄층 (12A) 및 구리판 (22B), 금속층 (13) 및 구리판 (43), 히트 싱크 (31) 및 구리판 (43) 의 접촉면에 부하되는 하중은 3 kgf/㎠ 이상 35 kgf/㎠ 이하로 되어 있다. 그리고, 진공 가열의 가열 온도를, 400 ℃ 이상 548 ℃ 미만으로 하고, 5 분 이상 240 분 이하 유지하며 고상 확산 접합을 실시하고, 알루미늄층 (12A) 에 구리판 (22B) 을 접합시켜 구리층 (12B) 을 형성함과 동시에, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 를, 접합층 (33) 을 개재하여 접합시킨다 (구리층 및 히트 싱크 접합 공정 S12). 본 실시형태에 있어서는, 알루미늄층 (12A) 과 구리판 (22B), 금속층 (13) 과 구리판 (43), 히트 싱크 (31) 와 구리판 (43) 이 접합되는 각각의 면은, 미리 당해 면의 흠집이 제거되어 평활하게 된 후에 고상 확산 접합되어 있다.

또한, 동시에, 알루미늄층 (12A) 의 일방측에 구리판 (22B) 을 고상 확산 접합시키고, 금속층 (13) 의 타방측에 구리판 (43) 을 고상 확산 접합시키고, 구리판 (43) 의 타방측에는 추가로 히트 싱크 (31) 를 고상 확산 접합시키는 경우의 진공 가열의 바람직한 가열 온도는, 알루미늄판 (22A) 을 구성하는 금속 (Al) 과 구리판 (22B) 을 구성하는 금속 (Cu), 알루미늄판 (23) 을 구성하는 금속 (Al) 과 구리판 (43) 을 구성하는 금속 (Cu), 및 히트 싱크 (31) 를 구성하는 금속 (Al-Mg-Si 계) 과 구리판 (43) 을 구성하는 금속 (Cu) 의 공정 (共晶) 온도 중, 가장 낮은 공정 온도 (공정 온도 포함하지 않음) 내지 공정 온도―5 ℃ 의 범위로 되어 있다.

이렇게 하여, 알루미늄층 (12A) 과 알루미늄층 (12A) 의 일방측에 적층된 구리층 (12B) 을 갖는 회로층 (12) 이 형성되게 되어 있다.

상기 서술한 바와 같이 하여 본 실시형태인 세라믹스 기판 (11) 의 일방측에 회로층 (12) 이 형성된 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 및 파워 모듈용 기판 (10) 이 얻어진다.

그리고, 회로층 (12) 의 일방측 (표면) 에, 땜납재를 개재하여 반도체 소자 (3) 를 탑재하고, 환원로 내에서 땜납 접합시킨다 (반도체 소자 접합 공정 S13).

상기 서술한 바와 같이 하여 본 실시형태인 파워 모듈 (1) 이 만들어 내어진다.

이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 및 파워 모듈용 기판 (10) 에 따르면, 회로층 (12) 이 구리층 (12B) 을 갖고, 구리층 (12B) 상에 반도체 소자 (3) 가 탑재된다. 따라서, 알루미늄으로 구성된 회로층과 비교하여, 반도체 소자 (3) 로부터 발생하는 열을 회로층 (12) 의 구리층 (12B) 에서 면방향으로 확산시켜 그 열을 효율적으로 파워 모듈용 기판 (10) 으로 방산시킬 수 있다. 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 에서는, 히트 싱크 (31) 에 의해 파워 모듈용 기판 (10) 의 열을 더 방산시킬 수 있다.

또한, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 및 제 2 면에 비교적 변형 저항이 작은 알루미늄으로 구성된 알루미늄층 (12A) 및 금속층 (13) 이 형성되어 있고, 히트 사이클이 부하된 경우에, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 및 세라믹스 기판 (11) 과 금속층 (13) 의 열팽창 계수의 차이에서 기인되어 발생하는 열응력을 알루미늄층 (12A) 및 금속층 (13) 이 흡수하므로, 히트 사이클에 대한 높은 신뢰성을 얻을 수 있다.

또, 알루미늄층 (12A) 의 일방측에는, 비교적 변형 저항이 큰 구리층 (12B) 이 형성되어 있고, 파워 사이클이 부하된 경우에, 회로층 (12) 의 변형을 억제할 수 있기 때문에 열저항의 상승을 억제할 수 있어, 파워 사이클에 대한 높은 신뢰성을 얻을 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 알루미늄층 (12A) 과 구리층 (12B) 사이에, Cu 와 Al 의 확산층으로 이루어지는 확산층 (12C) 이 형성되어 있으므로, 알루미늄층 (12A) 중의 Al 이 구리층 (12B) 으로, 구리층 (12B) 중의 Cu 가 알루미늄층 (12A) 으로 충분히 상호 확산되어, 알루미늄층 (12A) 과 구리층 (12B) 이 확실히 고상 확산 접합되어 있어, 접합 강도를 확보할 수 있다.

또, 구리층 (12B) 과 확산층 (12C) 의 접합 계면에 산화물 (19) 이 접합 계면을 따라 층상으로 분산되어 있으므로, 알루미늄층 (12A) 에 형성된 산화막이 확실히 파괴되고, Cu 와 Al 의 상호 확산이 충분히 진행되게 되어, 구리층 (12B) 과 확산층 (12C) 이 확실히 접합되어 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 확산층 (12C) 은 복수의 금속 간 화합물이 상기 접합 계면을 따라 적층된 구조로 되어 있으므로, 취약한 금속 간 화합물이 크게 성장되어 버리는 것을 억제할 수 있다. 또, 구리층 (12B) 중의 Cu 와 알루미늄층 (12A) 중의 Al 이 상호 확산됨으로써, 구리층 (12B) 으로부터 알루미늄층 (12A) 을 향해 각각의 조성에 적합한 금속 간 화합물이 층상으로 형성되어 있기 때문에, 접합 계면의 특성을 안정시킬 수 있다.

구체적으로는, 확산층 (12C) 은, 알루미늄층 (12A) 으로부터 구리층 (12B) 을 향해 차례로, θ 상 (16), η2 상 (17), ζ2 상 (18) 의 3 종의 금속 간 화합물이 적층되어 있다. 따라서, 확산층 (12C) 내부에 있어서의 체적 변동이 작아져, 내부 변형이 억제되게 된다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 알루미늄층 (12A) 의 평균 결정 입경이 500 ㎛ 이상으로 되고, 구리층 (12B) 의 평균 결정 입경이 50 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있고, 알루미늄층 (12A) 및 구리층 (12B) 의 평균 결정 입경이 비교적 크게 설정되어 있다. 따라서, 알루미늄층 (12A) 및 구리층 (12B) 에 과잉된 변형 등이 축적되어 있지 않아, 피로 특성이 향상되게 된다. 따라서, 히트 사이클 부하에 있어서, 파워 모듈용 기판 (10) 과 히트 싱크 (31) 사이에 발생하는 열응력에 대한 접합 신뢰성이 향상된다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 확산층 (12C) 의 평균 두께가 1 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하, 바람직하게는 5 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다. 따라서, Cu 와 Al 의 상호 확산이 충분히 진행되고 있어, 알루미늄층 (12A) 과 구리층 (12B) 을 강고하게 접합시킬 수 있음과 함께, 알루미늄층 (12A) 및 구리층 (12B) 에 비해 취약한 금속 간 화합물이 필요 이상으로 성장하는 것이 억제되고 있어, 접합 계면의 특성이 안정되게 된다.

여기서, 구리층 (12B) 의 바람직한 두께는 0.1 ㎜ 이상 6.0 ㎜ 이하로 되어 있다.

구리층 (12B) 을 0.1 ㎜ 이상으로 함으로써, 반도체 소자 (3) 로부터의 열을 구리층 (12B) 에서 확산시켜 보다 효율적으로 열을 전달하고, 파워 사이클 부하시의 초기 열저항을 저감시킬 수 있다. 따라서, 파워 사이클에 대한 신뢰성을 보다 높일 수 있다. 또, 구리층 (12B) 을 6.0 ㎜ 이하로 함으로써, 회로층 (12) 의 강성을 저감시켜, 히트 사이클 부하시에 있어서 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

상기 서술한 바와 같은 파워 모듈용 기판 (10) 및 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 (30) 을 사용한 파워 모듈 (1) 에 있어서는, 반도체 소자 (3) 로부터 발생하는 열을 효율적으로 방산시킬 수 있다. 그리고, 반도체 소자 (3) 의 온도 상승을 억제하여, 소정 온도에서 반도체 소자 (3) 를 동작시킬 수 있어 동작의 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.

또, 본 실시형태에 있어서는, 알루미늄층 (12A) 과 구리층 (12B) 은 고상 확산 접합에 의해 접합되어 있으므로, 세라믹스 기판 (11) 의 일방측에 형성된 알루미늄층 (12A) 과 구리층 (12B) 을 갖는 회로층 (12) 을 얻을 수 있다.

또한, 고상 확산 접합은, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에 알루미늄층 (12A) 을 형성하고, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면에 금속층 (13) 을 형성하고, 알루미늄층 (12A) 의 일방측에 구리판 (22B) 을 배치하고, 금속층 (13) 의 타방측에 구리판 (43) 과 히트 싱크 (31) 를 배치한 후에, 알루미늄층 (12A) 과 구리판 (22B), 금속층 (13) 과 구리판 (43), 히트 싱크 (31) 와 구리판 (43) 에 대해 3 kgf/㎠ 이상 35 kgf/㎠ 이하의 하중이 부하된 상태에서 400 ℃ 이상 548 ℃ 미만으로 유지하는 구성으로 되어 있다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 알루미늄층 (12A) 과 구리판 (22B) 이 충분히 밀착된 상태에서 알루미늄층 (12A) 중에 구리판 (22B) 의 구리 원자를 고상 확산시키고, 구리판 (22B) 중에 알루미늄층 (12A) 의 알루미늄 원자를 고상 확산시켜 고상 확산 접합시키고, 알루미늄층 (12A) 의 일방측에 구리층 (12B) 을 확실히 형성할 수 있다.

또한, 이와 같이 고상 확산 접합을 실시함으로써, 알루미늄층 (12A) 과 구리층 (12B) 사이에 간극이 형성되는 것을 억제하여 알루미늄층 (12A) 과 구리층 (12B) 을 접합시킬 수 있다. 따라서, 알루미늄층 (12A) 과 구리층 (12B) 의 접합 계면에 있어서의 열전도성 및 도전성을 양호하게 하고, 반도체 소자 (3) 로부터 발생하는 열을 세라믹스 기판 (11) 을 향해 효율적으로 방산시킬 수 있다. 또한, 고상 확산 접합된 알루미늄층 (12A) 과 구리층 (12B) 의 계면에는 확산층 (12C) 이 형성되어 있다. 이 확산층 (12C) 은, 고상 확산에 의해 형성되어 있으므로 접합 강도가 높다. 그래서, 히트 사이클 및 파워 사이클이 부하되었을 때에, 계면의 박리가 잘 발생하지 않아 양호한 접합 상태를 유지할 수 있고 열전도성 및 도전성을 유지할 수 있다.

또, 금속층 (13) 과 구리판 (43), 히트 싱크 (31) 와 구리판 (43) 이 각각 고상 확산 접합되어, 접합층 (33) 을 개재하여 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 를 접합시킬 수 있다. 또한, 상기 서술한 바와 같은 조건에서 고상 확산 접합을 실시함으로써, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 사이에 간극이 형성되는 것을 억제하여, 접합층 (33) 을 개재하여 접합시킬 수 있으므로, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 사이에 있어서의 열전도성을 양호하게 할 수 있다. 또, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 는 접합층 (33) 에 의해 강고하게 접합되어 있고, 히트 사이클 및 파워 사이클이 부하되었을 때에, 금속층 (13) 과 접합층 (33), 히트 싱크 (31) 와 접합층 (33) 의 계면 박리가 잘 발생하지 않아 양호한 접합 상태를 유지할 수 있고 열전도성을 유지할 수 있다.

고상 확산 접합시킬 때에 알루미늄층 (12A) 및 구리판 (22B) 에 대해 부하되는 하중이 3 kgf/㎠ 미만인 경우에는, 알루미늄층 (12A) 과 구리판 (22B) 을 충분히 접합시키는 것이 곤란해져, 알루미늄층 (12A) 과 구리층 (12B) 사이에 간극이 형성되는 경우가 있다. 또, 35 kgf/㎠ 를 초과하는 경우에는, 부하되는 하중이 지나치게 높아, 세라믹스 기판 (11) 에 균열이 발생하는 경우가 있기 때문에, 고상 확산 접합시에 부하되는 하중은 상기의 범위로 설정되어 있다.

고상 확산 접합시킬 때의 온도가 400 ℃ 이상인 경우에는, 알루미늄 원자와 구리 원자의 확산이 촉진되어 단시간에 충분히 고상 확산시킬 수 있다. 또, 548 ℃ 미만인 경우에는, 알루미늄과 구리 사이에 액상이 생겨 접합 계면에 돌기가 생기거나 두께가 변동하거나 하는 것을 억제할 수 있다. 그래서, 고상 확산 접합의 바람직한 온도는 400 ℃ 이상 548 ℃ 미만의 범위로 설정되어 있다.

또, 고상 확산 접합시에 있어서의 보다 바람직한 열처리 온도는, 알루미늄판 (22A) 을 구성하는 금속 (Al) 과 구리판 (22B) 을 구성하는 금속 (Cu) 의 공정 온도 (공정 온도 포함하지 않음) 내지 공정 온도―5 ℃ 의 범위로 되어 있다. 이와 같은 공정 온도 (공정 온도 포함하지 않음) 내지 공정 온도―5 ℃ 의 범위를 선택했을 때에는, 액상이 형성되지 않고 알루미늄과 구리의 화합물이 생성되지 않으므로, 고상 확산 접합의 접합 신뢰성이 양호해지는 것에 부가하여, 고상 확산 접합시의 확산 속도가 빠르고, 비교적 단시간에 고상 확산 접합시킬 수 있기 때문에 상기와 같이 설정되어 있다.

또한, 고상 확산 접합시킬 때에, 접합되는 면에 흠집이 있는 경우, 고상 확산 접합시에 간극이 형성되는 경우가 있지만, 알루미늄층 (12A) 과 구리판 (22B), 금속층 (13) 과 구리판 (43), 히트 싱크 (31) 와 구리판 (43) 이 접합되는 면은, 미리 당해 면의 흠집이 제거되어 평활하게 된 후에 고상 확산 접합되어 있으므로, 각각의 접합 계면에 간극이 형성되는 것을 억제하여 접합시킬 수 있다.

또, 반도체 소자 (3) 가 땜납층 (2) 을 개재하여 구리층 (12B) 에 접합되는 구성으로 되어 있으므로, 알루미늄만으로 구성된 회로층에 접합되는 경우와 비교하여 땜납부를 양호하게 실시할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 가 접합층 (33) 을 개재하여 고상 확산 접합에 의해 접합되어 있고, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 사이에, 알루미늄이나 구리와 비교하여 열전도성이 열등한 땜납이나 그리스를 개재시키지 않기 때문에, 금속층 (13) 과 히트 싱크 (31) 사이의 열전도성을 향상시킬 수 있다.

또, 구리층 (12B) 및 히트 싱크 (31) 를 한 번에 접합시킬 수 있는 구성으로 되어 있으므로, 제조 비용을 대폭 저감시킬 수 있다.

또한, 본 실시형태인 파워 모듈 (1) 은, 파워 모듈용 기판 (10) 의 하방에 히트 싱크 (31) 를 구비하고 있으므로, 반도체 소자 (3) 로부터 발생하는 열이 파워 모듈용 기판 (10) 에 전달되어 히트 싱크 (31) 를 개재하여 열을 효율적으로 방산시킬 수 있다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 일은 없고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경할 수 있다.

또한, 상기 실시형태에 있어서는, 구리층과 히트 싱크를 고상 확산 접합에 의해 동시에 접합시키는 경우에 대해 설명했지만, 구리층을 고상 확산 접합으로 형성한 후에, 히트 싱크를 고상 확산 접합시키는 구성으로 되어 있어도 된다.

또, 세라믹스 기판의 제 1 면에 알루미늄층을 형성한 후에, 알루미늄층의 일방측에 구리판을 고상 확산 접합시켜 구리층을 형성하는 경우에 대해 설명했지만, 알루미늄판과 구리판을 고상 확산 접합시킨 후에, 세라믹스 기판의 제 1 면에 접합시키는 구성으로 되어 있어도 된다.

또한, 상기 실시형태에서는, 세라믹스 기판의 제 1 면 및 제 2 면에 형성되는 알루미늄층 및 금속층을, 순도 99.99 ％ 의 순알루미늄의 압연판으로서 설명했지만, 이것에 한정되는 일은 없고, 순도 99 ％ 의 알루미늄 (2N 알루미늄) 이나 알루미늄 합금 등이어도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 구리층은 무산소동의 구리판으로 구성되어 있는 경우에 대해 설명했지만, 이것에 한정되는 일은 없고, 그 밖의 순구리나 구리 합금 등의 구리판으로 구성되어도 된다.

또한, 절연층으로서 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판을 사용한 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되는 일은 없고, Si₃N₄ 나 Al₂O₃ 등으로 이루어지는 세라믹스 기판을 사용해도 되고, 절연 수지에 의해 절연층을 구성해도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 파워 모듈용 기판이 금속층을 구비하는 경우에 대해 설명했지만, 금속층을 구비하지 않아도 된다.

또한, 상기 실시형태에서는, 파워 모듈이 히트 싱크를 구비하는 경우에 대해 설명했지만, 히트 싱크를 구비하지 않아도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 파워 모듈용 기판의 금속층과 히트 싱크 사이에 구리판을 개재시켜 고상 확산 접합에 의해 접합시키는 경우에 대해 설명했지만, 금속층과 히트 싱크를, 땜납이나 나사 고정 등에 의해 접합시켜도 된다.

실시예

(실시예 1)

이하에, 본 발명의 효과를 확인하기 위해 실시한 확인 실험 (실시예 1) 의 결과에 대해 설명한다.

도 4 의 플로우도에 기재된 순서에 따라 표 1 에 나타내는 조건에서 고상 확산 접합을 실시하고, 발명예 1-1 ∼ 1-10 의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈을 제작하였다.

또한, 세라믹스 기판은 AlN 으로 구성되고, 40 ㎜×40 ㎜, 두께 0.635 ㎜ 의 것을 사용하였다.

또, 회로층의 알루미늄층은 4N 알루미늄의 압연판으로 구성되고, 37 ㎜×37 ㎜, 두께 0.1 ㎜ 의 것을 사용하였다.

회로층의 구리층은 무산소동의 압연판으로 구성되고, 37 ㎜×37 ㎜, 두께 0.3 ㎜ 의 것을 사용하였다.

금속층은 4N 알루미늄의 압연판으로 구성되고, 37 ㎜×37 ㎜, 두께 1.6 ㎜ 의 것을 사용하였다.

접합층은 무산소동의 압연판으로 구성되고, 37 ㎜×37 ㎜, 두께 0.05 ㎜ 의 것을 사용하고, 히트 싱크는 A6063 합금의 압연판으로 구성되고, 50 ㎜×50 ㎜, 두께 5 ㎜ 의 것을 사용하였다.

또, 고상 확산 접합은 진공 가열로 내의 압력이 10^-6 Pa 이상, 10^-3 Pa 이하의 범위 내에서 실시하였다.

반도체 소자는 IGBT 소자로 하고, 12.5 ㎜×9.5 ㎜, 두께 0.25 ㎜ 의 것을 사용하였다.

(히트 사이클 시험)

히트 사이클 시험은, 냉열 충격 시험기 에스펙사 제조 TSB―51 을 사용하여, 시험편 (히트 싱크가 부착된 파워 모듈) 에 대해 액상 (플루오리너트) 이고, ―40 ℃ 에서 5 분 및 125 ℃ 에서 5 분의 사이클을 반복하여 3000 사이클 실시하였다.

(파워 사이클 시험)

파워 사이클 시험은, Sn-Ag-Cu 땜납을 사용하여 IGBT 소자를 구리층에 납땜함과 함께, 알루미늄 합금으로 이루어지는 접속 배선을 본딩하여 히트 싱크가 부착된 파워 모듈로 하고, 이를 사용하여 실시하였다. 히트 싱크 내의 냉각수 온도, 유량을 일정하게 한 상태에서 IGBT 소자에 대한 통전을, 통전 (ON) 에서 소자 표면 온도 140 ℃, 비통전 (OFF) 에서 소자 표면 온도 80 ℃ 가 되는 1 사이클을 10 초 마다 반복하도록 하여 조정하고, 이것을 10만회 반복하는 파워 사이클 시험을 실시하였다.

이 히트 사이클 시험 전후 및 파워 사이클 시험 전후에 있어서의, 알루미늄층과 구리층의 계면에 있어서의 접합률 및 히트 싱크가 부착된 파워 모듈의 열저항을 측정하였다.

(알루미늄층과 구리층의 계면의 접합률 평가)

파워 사이클 시험 전후의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈에 대해 알루미늄층과 구리층의 계면의 접합률에 대해 초음파 탐상 장치를 사용하여 평가하고, 이하의 식으로부터 산출하였다. 여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적, 즉 본 실시예에서는 알루미늄층 및 구리층의 면적으로 하였다. 초음파 탐상 이미지에 있어서 박리는 접합부 내의 백색부로 나타내기 때문에, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 하였다.

(접합률)＝｛(초기 접합 면적)―(박리 면적)｝/(초기 접합 면적)

(열저항 평가)

열저항은 다음과 같이 하여 측정하였다. 히터 칩 (반도체 소자) 을 100 W 의 전력으로 가열하고, 열전대를 사용하여 히터 칩의 온도를 실측하였다. 또, 히트 싱크를 유통하는 냉각 매체 (에틸렌글리콜：물＝9：1) 의 온도를 실측하였다. 그리고, 히터 칩의 온도와 냉각 매체의 온도 차를 전력으로 나눈 값을 열저항으로 하였다.

상기 평가의 결과를 표 1 에 나타낸다.

발명예 1-1 ∼ 1-10 에서는, 파워 사이클 시험 후 및 히트 사이클 시험 후의 접합률이 모두 높고, 파워 사이클 부하 및 히트 사이클 부하에 대한 높은 접합의 신뢰성을 갖는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈인 것을 확인할 수 있었다.

또, 발명예 1-1 ∼ 1-6 에서는, 파워 사이클 시험 후 및 히트 사이클 시험 후의 접합률이 모두 더 높고, 파워 사이클 부하 및 히트 사이클 부하에 대해 더 높은 접합의 신뢰성을 갖는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈인 것을 확인할 수 있었다.

(실시예 2)

이하에, 본 발명의 효과를 확인하기 위해 실시한 확인 실험 (실시예 2) 의 결과에 대해 설명한다.

도 4 의 플로우도에 기재된 순서에 따라 하중：9 kgf/㎠, 온도：540 ℃, 유지 시간：180 분의 조건에서 고상 확산 접합을 실시하고, 발명예 2-1 ∼ 2-8 의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈을 제작하였다.

회로층의 알루미늄층은 4N 알루미늄의 압연판으로 구성되고, 37 ㎜×37 ㎜, 발명예 2-1 ∼ 2-7 에 있어서는 두께 0.6 ㎜ 의 것을, 발명예 2-8 에 있어서는 두께 0.1 ㎜ 의 것을 사용하였다.

회로층의 구리층은 무산소동의 압연판 (구리판) 으로 구성되고, 37 ㎜×37 ㎜ 의 것을 사용하고, 구리판의 두께는 표 2 에 나타내는 두께로 설정하였다.

또한, 종래예 1 로서 다음의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈을 제작하였다.

먼저, 회로층이 되는 무산소동으로 이루어지는 구리판 (37 ㎜×37 ㎜, 두께 0.3 ㎜) 과 AlN 으로 구성된 세라믹스 기판과 금속층이 되는 무산소동으로 이루어지는 구리판 (37 ㎜×37 ㎜, 두께 0.3 ㎜) 을, Ag-27.4 질량％ Cu-2.0 질량％ Ti 의 납재 박을 개재하여 적층시키고, 적층 방향으로 0.5 kgf/㎠ 로 가압한 상태에서 10^-3 Pa 의 진공 분위기로 한 진공 가열로 내에 장입하고, 850 ℃ 에서 10 분 가열함으로써, 접합시켜 파워 모듈용 기판을 제작하였다. 다음으로 상기 파워 모듈용 기판과 IGBT 소자 (12.5 ㎜×9.5 ㎜, 두께 0.25 ㎜) 및 히트 싱크를 접합시켜 히트 싱크가 부착된 파워 모듈을 제작하였다.

또한, 다음 수단으로 제작한 히트 싱크가 부착된 파워 모듈을 종래예 2 로 하였다.

먼저, 회로층이 되는 알루미늄판 (37 ㎜×37 ㎜, 두께 0.4 ㎜) 과 AlN 으로 구성된 세라믹스 기판과 금속층이 되는 알루미늄판 (37 ㎜×37 ㎜, 두께 0.4 ㎜) 을, Al-10 질량％ Si 의 납재 박을 개재하여 적층시키고, 적층 방향으로 5 kgf/㎠ 로 가압한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하고, 650 ℃ 에서 30 분 가열함으로써, 접합시켜 파워 모듈용 기판을 제작하였다. 다음으로 상기 파워 모듈용 기판과 IGBT 소자 (12.5 ㎜×9.5 ㎜, 두께 0.25 ㎜) 및 히트 싱크를 접합시켜 히트 싱크가 부착된 파워 모듈을 제작하였다.

(히트 사이클 시험)

실시예 1 과 동일하게 하여 히트 싱크가 부착된 파워 모듈에 대해 히트 사이클 시험을 실시하였다.

이 히트 사이클 시험 후에, 세라믹스 기판과 회로층의 계면에 있어서의 접합률을 측정하였다.

(세라믹스 기판과 회로층의 계면의 접합률 평가)

히트 사이클 시험 후의 히트 싱크가 부착된 파워 모듈에 대해 세라믹스 기판과 회로층의 계면의 접합률에 대해 초음파 탐상 장치를 사용하여 평가하고, 이하의 식으로부터 산출하였다. 여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적, 즉 본 실시예에서는 회로층의 면적으로 하였다. 초음파 탐상 이미지에 있어서 박리는 접합부 내의 백색부로 나타나기 때문에, 이 백색부의 면적을 박리 면적으로 하였다. 또한, 히트 사이클 시험에 있어서 세라믹스 기판에 균열이 발생한 경우, 초음파 탐상 이미지에 있어서 백색부로 나타나고, 접합률이 작아진다. 따라서, 접합률은 계면에 있어서의 박리 면적과 세라믹스 기판의 균열 면적이 합쳐져 평가된 것이다.

(파워 사이클 시험)

실시예 1 과 동일하게 히트 싱크가 부착된 파워 모듈에 대해 파워 사이클 시험을 실시하였다.

이 파워 사이클 시험에 있어서의 초기 열저항 및 파워 사이클 시험 후의 열저항을 측정하였다. 열저항의 측정에 대해서는 실시예 1 과 동일한 방법으로 실시하였다.

상기 평가의 결과를 표 2 에 나타낸다.

종래예 1 에서는, 파워 사이클 시험의 초기 열저항 및 파워 사이클 시험 후의 열저항의 상승이 작지만, 히트 사이클 시험에 있어서 세라믹스 기판에 균열이 발생하여 세라믹스 기판과 회로층의 계면에 있어서의 접합률이 저하되었다.

또, 종래예 2 에서는, 히트 사이클 시험 후의 세라믹스 기판과 회로층의 사이의 접합률은 높지만, 파워 사이클 시험에 있어서 초기 열저항이 크고, 시험 후의 열저항의 상승도 컸다.

한편, 발명예 2-1 ∼ 2-8 에서는, 파워 사이클 시험에 있어서 초기 열저항이 작고, 시험 후의 열저항의 상승도 작아 양호하였다. 또한, 히트 사이클 시험 후에, 세라믹스 기판과 알루미늄층 (회로층) 의 계면에 있어서의 접합률이 커 양호하였다. 이와 같이 발명예 2-1 ∼ 2-8 은, 파워 사이클 및 히트 사이클의 부하에 대해 높은 신뢰성을 갖는 히트 싱크가 부착된 파워 모듈인 것을 확인할 수 있었다.

산업상 이용 가능성

1 : 파워 모듈
3 : 반도체 소자
10 : 파워 모듈용 기판
11 : 세라믹스 기판 (절연층)
12 : 회로층
12A : 알루미늄층
12B : 구리층
12C : 확산층
13 : 금속층
30 : 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판
31 : 히트 싱크

Claims

절연층과, 이 절연층의 일방의 면에 형성된 회로층을 구비한 파워 모듈용 기판으로서,
상기 회로층은, 상기 절연층의 일방의 면에 배치 형성된 알루미늄층과,
이 알루미늄층의 일방측에 적층된 구리층을 갖고,
상기 알루미늄층과 상기 구리층은 고상 확산 접합되어 있는, 파워 모듈용 기판.
제 1 항에 있어서,
상기 알루미늄층과 상기 구리층의 접합 계면에는 Cu 와 Al 로 이루어지는 확산층이 형성되어 있고,
상기 확산층은 복수의 금속 간 화합물이 상기 접합 계면을 따라 적층된 구조로 되고,
상기 구리층과 상기 확산층의 접합 계면에는 산화물이 상기 접합 계면을 따라 층상으로 분산되어 있는, 파워 모듈용 기판.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 구리층의 두께는 0.1 ㎜ 이상 6.0 ㎜ 이하로 되어 있는, 파워 모듈용 기판.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 이 파워 모듈용 기판의 타방측에 접합된 히트 싱크를 구비하고 있는, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 상기 회로층의 일방측에 접합된 반도체 소자를 구비하고 있는, 파워 모듈.
절연층과, 이 절연층의 일방의 면에 형성된 회로층을 구비한 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
상기 절연층의 일방의 면에 회로층을 형성하는 회로층 형성 공정을 구비하고,
상기 회로층 형성 공정은,
상기 절연층의 일방의 면에 알루미늄층을 배치 형성하는 알루미늄층 배치 형성 공정과,
상기 알루미늄층의 일방측에 구리층을 적층시키는 구리층 적층 공정을 갖고,
상기 구리층 적층 공정에 있어서, 상기 알루미늄층과 상기 구리층을 고상 확산 접합시키는, 파워 모듈용 기판의 제조 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 구리층 적층 공정에 있어서,
상기 알루미늄층의 일방측에 구리판을 적층시키고,
상기 알루미늄층과 상기 구리판에 대해 3 kgf/㎠ 이상 35 kgf/㎠ 이하의 하중을 부하한 상태에서 400 ℃ 이상 548 ℃ 미만으로 유지함으로써, 상기 알루미늄층과 상기 구리판을 고상 확산 접합시키는, 파워 모듈용 기판의 제조 방법.