KR102027615B1

KR102027615B1 - 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판, 냉각기 장착 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈

Info

Publication number: KR102027615B1
Application number: KR1020147026972A
Authority: KR
Inventors: 요시유키 나가토모; 요시로우 구로미츠
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2019-10-01
Also published as: IN2014DN08075A; US20150055302A1; WO2013147124A1; EP2833401A1; EP2833401A4; TW201411789A; JP6044097B2; EP2833401B1; CN104205325A; KR20140142256A; TWI620289B; JP2013214561A

Abstract

본원에 관련된 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) 과 금속층 (13) 을 구비하는 파워 모듈용 기판 (10) 과, 땜납층 (17) 을 개재하여 금속층 (13) 과 접합됨과 함께 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 히트 싱크 (18) 를 구비한다. 금속층 (13) 은, Al 의 함유량이 99.0 질량％ 이상 99.85 질량％ 이하인 알루미늄판이 세라믹스 기판 (11) 에 접합되어 형성되어 있고, 땜납층 (17) 은, 주성분인 Sn 과, 이 Sn 의 모상 중에 고용되는 고용 원소를 함유하는 고용 경화형의 땜납재에 의해 형성되어 있다.

Description

히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판, 냉각기 장착 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈{POWER MODULE SUBSTRATE WITH HEAT SINK, POWER MODULE SUBSTRATE WITH COOLER, AND POWER MODULE}

이 발명은, 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층이 배치 형성됨과 함께 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 알루미늄으로 이루어지는 금속층이 배치 형성된 파워 모듈용 기판과, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 히트 싱크를 구비한 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판, 이 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판을 구비한 냉각기 장착 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈에 관한 것이다.

본원은, 2012년 3월 30일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2012-082997호에 대해 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

반도체 소자 중에서도 전력 공급을 위한 파워 소자는, 발열량이 비교적 높기 때문에, 이것을 탑재하는 기판으로는, 예를 들어, 특허문헌 1 ∼ 4 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판의 일방의 면에 회로층이 되는 알루미늄의 금속판이 접합되고, 세라믹스 기판의 타방의 면에 금속층이 되는 알루미늄의 금속판이 접합된 파워 모듈용 기판이 널리 사용되고 있다.

이들의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 금속층의 타방의 면측에 땜납층을 개재하여 구리제의 방열판 (히트 싱크) 이 접합된다. 그리고, 이 방열판이 냉각기에 나사 등에 의해 고정된다.

상기 서술한 파워 모듈에 있어서는, 그 사용시에 열사이클이 부하된다. 여기서, 파워 모듈용 기판에 열사이클이 부하된 경우에는, 금속층과 방열판 (히트 싱크) 사이에 개재되는 땜납층에 변형이 축적되어, 땜납층에 크랙이 발생할 우려가 있다.

그래서, 종래에는, 알루미늄의 함유량이 99.99 질량％ 이상인 4 N 알루미늄 등의 비교적 변형 저항이 작은 알루미늄으로 금속층을 구성함으로써, 상기 서술한 변형을 금속층의 변형에 의해 흡수하고, 땜납층에 있어서의 크랙의 발생 방지를 도모하고 있다.

여기서, 4 N 알루미늄으로 이루어지는 금속층과 구리로 이루어지는 방열판 (히트 싱크) 사이에 개재되는 땜납층 내부의 변형 분포를 계산한 결과, 금속층의 전체에 변형이 분포되어 있고, 변형이 넓게 분산되어, 변형량의 피크치가 낮아지는 것이 확인된다.

일본 공개특허공보 2004-152969호 일본 공개특허공보 2004-153075호 일본 공개특허공보 2004-200369호 일본 공개특허공보 2004-207619호

그런데, 상기 서술한 바와 같이, 금속층을 4 N 알루미늄 등의 비교적 변형 저항이 작은 알루미늄에 의해 형성한 경우, 땜납층의 넓은 범위에서 크랙이 발생하고, 금속층과 히트 싱크의 접합이 불충분해져, 열사이클 부하 후에 열저항이 상승할 우려가 있었다. 이것은, 열사이클을 부하했을 때에 금속층이 필요 이상으로 변형되고, 히트 싱크와의 사이에 개재되는 땜납층에 대해 더욱 변형이 부하되어, 모처럼 변형을 넓게 분산했음에도 불구하고 변형량을 충분히 저감시킬 수 없어졌기 때문인 것으로 추측된다.

특히, 최근에는 파워 모듈의 소형화·박육화가 진행됨과 함께, 그 사용 환경도 엄격해지고 있고, 반도체 소자 등의 전자 부품으로부터의 발열량이 커지고 있기 때문에, 열사이클의 온도차가 크고, 땜납층의 넓은 범위에서 크랙이 발생하기 쉬운 경향이 있다.

또, 금속층과 히트 싱크 사이에 개재되는 땜납층으로는, 최근에는, 예를 들어 Sn-Ag 계나 Sn-Ag-Cu 계의 무연 땜납재가 사용되고 있다. 이들 땜납재는, Sn 의 모상 중에 Sn-Ag 금속간 화합물로 이루어지는 석출물이 분산됨으로써 경화된 석출 경화형의 땜납재로 되어 있다. 이와 같은 땜납재로 이루어지는 땜납층은, 열사이클에 의해 석출물의 입경이나 분산 상태가 변화하기 때문에, 땜납층의 강도가 열적으로 불안정해진다는 문제가 있었다.

이 발명은, 상기 서술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 알루미늄으로 이루어지는 금속층과 구리로 이루어지는 히트 싱크 사이에 개재되는 땜납층에 있어서의 크랙의 발생 및 진전을 억제할 수 있고, 접합 신뢰성이 우수한 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판, 이 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판을 구비한 냉각기 장착 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈을 제공한다.

이 과제를 해결하기 위해서, 본 발명자들은 예의 연구를 실시한 결과, 금속 있어서, 알루미늄의 순도가 99.0 질량％ 이상 99.85 질량％ 이하 (이른바 2 N 알루미늄) 인 알루미늄판을 사용함으로써, 4 N 알루미늄의 알루미늄판을 사용한 경우와 비교하여 금속층의 변형을 억제하는 것이 가능하다는 지견을 얻었다. 또, 2 N 알루미늄으로 이루어지는 금속층과 구리로 이루어지는 히트 싱크 사이에 개재되는 땜납층 내부의 변형 분포를 계산한 결과, 금속층의 둘레 가장자리부에 있어서 변형량이 높고, 금속층의 내측 영역에서의 변형량이 낮아진다는 지견을 얻었다.

본 발명은, 이러한 지견에 기초하여 이루어진 것으로서, 본 발명에 관련된 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판과, 상기 세라믹스 기판의 일방의 면에 배치 형성된 회로층과, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 배치 형성된 알루미늄으로 이루어지는 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판과, 이 금속층의 타방의 면측에 땜납층을 개재하여 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 히트 싱크를 구비한 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판으로서, 상기 금속층은, Al 의 함유량이 99.0 질량％ 이상 99.85 질량％ 이하인 알루미늄판이 상기 세라믹스 기판에 접합되어 형성되어 있고, 상기 땜납층은, 주성분인 Sn 과, 이 Sn 의 모상 중에 고용되는 고용 원소를 함유하는 고용 경화형의 땜납재에 의해 형성되어 있다.

이 구성의 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판에 의하면, 상기 금속층은, Al 의 함유량이 99.0 질량％ 이상 99.85 질량％ 이하로 된 알루미늄판이 상기 세라믹스 기판에 접합되어 형성되어 있기 때문에, 냉열 사이클 부하 후에 금속층이 잘 변형되지 않고, 땜납층에 있어서의 크랙의 발생을 억제할 수 있다. 한편, Al 의 함유량이 99.0 질량％ 미만에서는, Al 의 소성 변형이 불충분하여, 충분한 응력 완충 효과가 얻어지지 않는다. 이로써, 세라믹스나 땜납층에 크랙이 발생하는 이유에서 냉열 사이클 후의 접합률이 저하된다. 또, 99.85 질량％ 를 초과하면 냉열 사이클 부하 후에 금속층의 변형으로부터 땜납층에서 크랙이 발생하고, 접합률이 저하된다. 이들의 이유에서 Al 의 함유량은 99.0 질량％ 이상 99.85 질량％ 이하의 범위로 하였다.

또, 땜납층이, 주성분인 Sn 과, 이 Sn 의 모상 중에 고용되는 고용 원소를 함유하는 고용 경화형의 땜납재에 의해 형성되어 있기 때문에, 땜납층의 모상의 강도가 높아진다. 또, 냉열 사이클이 부하된 경우여도 강도가 확보된다. 따라서, 금속층의 둘레 가장자리부에 있어서 땜납층에 크랙이 발생한 경우여도, 이 크랙이 금속층의 내측 영역으로까지 진전되는 것을 억제할 수 있다.

또한, 금속층을 구성하는 알루미늄판에 있어서는, Al 의 함유량이 99.0 질량％ 이상 99.85 질량％ 이하로 되어 있고, 주된 불순물로는 Fe, Cu, Si 를 들 수 있다.

여기서, 상기 땜납층은, 상기 고용 원소로서 Sb 를 함유하는 땜납재에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이 경우, Sn 의 모상 중에 Sb 가 고용됨으로써, 땜납층의 강도가 확실하게 향상됨과 함께, 열적으로 안정된다. 따라서, 금속층의 둘레 가장자리부에 있어서 발생한 크랙의 진전을 확실하게 억제할 수 있다. 또한, Sn 에 Sb 가 고용됨으로써 충분히 강도가 향상되기 때문에, 그 밖에 석출물을 생성하는 원소를 함유 하고 있어도 된다. 즉, 냉열 사이클에 의해 석출물의 입경이나 분산 상태가 변화했다고 하더라도, Sb 의 고용 경화에 의해 Sn 모상의 강도를 확보할 수 있고, 크랙의 진전을 억제할 수 있다.

또한, 상기 히트 싱크는, 인장 강도가 250 ㎫ 이상인 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.

이 경우, 히트 싱크가 용이하게 소성 변형되지 않게 되기 때문에, 히트 싱크는 탄성 변형 영역에서 변형된다. 따라서, 히트 싱크가 휘듯이 소성 변형하는 것이 억제되어, 히트 싱크를 냉각기에 밀착시켜 적층하여 배치할 수 있다.

또한, 히트 싱크로는, 판상의 방열판, 내부에 냉매가 유통되는 냉각기, 핀이 형성된 액랭 또는 공랭 방열기, 히트 파이프 등, 열의 방산에 의해 온도를 낮추는 것을 목적으로 한 금속 부품이 포함된다.

본 발명에 관련된 냉각기 장착 파워 모듈용 기판은, 상기 서술한 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판과, 상기 히트 싱크 타방의 면측에 적층 배치된 냉각기를 구비하고 있다.

이 구성의 냉각기 장착 파워 모듈용 기판에 의하면, 열전도성이 우수한 구리제의 히트 싱크를 구비하고 있기 때문에, 파워 모듈용 기판으로부터의 열을 효율적으로 확산시켜 방산시킬 수 있다. 또, 금속층과 냉각기 사이에 개재되는 땜납층에 있어서 크랙의 발생 및 진전이 억제되므로, 파워 모듈용 기판측의 열을 확실하게 냉각기로 전도시킬 수 있다.

본 발명에 관련된 파워 모듈은, 상기 서술한 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판과, 이 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판 상에 탑재되는 전자 부품을 구비하고 있다.

이 구성의 파워 모듈에 의하면, 금속층과 냉각기 사이에 형성된 땜납층에 있어서의 크랙의 발생 및 진전을 억제할 수 있으므로, 그 신뢰성을 비약적으로 향상시키는 것이 가능해진다.

본 발명에 의하면, 알루미늄으로 이루어지는 금속층과 구리로 이루어지는 히트 싱크 사이에 개재되는 땜납층에 있어서의 크랙의 발생 및 진전을 억제할 수 있고, 접합 신뢰성이 우수한 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판, 이 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판을 구비한 냉각기 장착 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈을 제공할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 실시형태인 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는 본 발명의 실시형태인 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판을 나타내는 설명도이다.
도 3 은 본 발명의 실시형태인 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.

이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 1 에, 본 발명의 실시형태인 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈을 나타낸다.

이 파워 모듈 (1) 은, 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판 (20) 과, 반도체 칩 (3) 과, 냉각기 (40) 를 구비하고 있다. 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판 (20) 은, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (10) 과, 금속층 (13) 의 타방의 면 (도 1 에 있어서 하면) 에 땜납층 (17) 을 개재하여 접합된 방열판 (18) 을 갖는다. 반도체 칩 (3) 은, 회로층 (12) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 칩용 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된다. 냉각기 (40) 는, 방열판 (18) 의 타방의 면측에 배치 형성된다.

또한, 본 실시형태에서는, 히트 싱크로서 방열판 (18) 을 사용하였다.

여기서, 칩용 땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 회로층 (12) 과 칩용 땜납층 (2) 사이에 Ni 도금층 (도시하지 않음) 이 형성되어 있다.

파워 모듈용 기판 (10) 은, 도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, 절연층을 구성하는 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 2 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (12) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 2 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (13) 을 구비하고 있다. 즉, 세라믹스 기판 (11) 은, 제 1 면 (일방의 면) 및 제 2 면 (타방의 면) 을 갖고, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면에는 회로층이 배치 형성되고, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면에는 금속층이 배치 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. 또한, 본 실시형태에서는, 도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 폭은, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 폭보다 넓게 설정되어 있다.

회로층 (12) 은, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면 (도 3 에 있어서 상면) 에, 도전성을 갖는 금속판 (22) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 은, 알루미늄의 함유량이 99.99 질량％ 이상인 알루미늄 (이른바 4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판 (22) 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.

또한, 후술하는 바와 같이, 금속판 (22) 과 세라믹스 기판 (11) 은, Al-Si 계 납 (蠟) 재를 개재하여 접합되어 있다. 이 점에서, 회로층 (12) 중 세라믹스 기판 (11) 과의 계면 근방에는, Si 가 확산된 계면 근방층 (12A) 이 형성되어 있다. 이 계면 근방층 (12A) 에 있어서는, 알루미늄의 함유량이 99.99 질량％ 미만이 되는 경우가 있다.

금속층 (13) 은, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면 (도 3 에 있어서 하면) 에, 금속판 (23) 이 접합됨으로써 형성되어 있다.

본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 은, 알루미늄의 함유량이 99.0 질량％ 이상 99.85 질량％ 이하인 알루미늄 (이른바 2 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판 (23) 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.

또한, 후술하는 바와 같이, 금속판 (23) 과 세라믹스 기판 (11) 은, Al-Si 계 납재를 개재하여 접합되어 있다. 이 점에서, 금속층 (13) 중 세라믹스 기판 (11) 과의 계면 근방에는, Si 가 확산된 계면 근방층 (13A) 이 형성되어 있다. 이 계면 근방층 (13A) 에 있어서는, 알루미늄의 함유량이 99.0 질량％ 미만이 되는 경우가 있다.

방열판 (18) 은, 상기 서술한 파워 모듈용 기판 (10) 으로부터의 열을 면 방향으로 확산시키는 것으로서, 열전도성이 우수한 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있다.

여기서, 본 실시형태에서는, 방열판 (18) 은, 영률이 130 ㎬ 이하, 또한, 인장 강도가 250 ㎫ 이상인 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있다. 구체적으로는, 방열판 (18) 은, Cu-0.04 질량％ Ni-0.17 질량％ Co-0.05 질량％ P-0.1 질량％ Sn (CDA No.C18620) 으로 구성되고, 영률이 125 ㎬, 인장 강도가 250 ㎫ 이상으로 되어 있다.

냉각기 (40) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 냉각 매체 (예를 들어 냉각수) 를 유통시키기 위한 유로 (41) 를 구비하고 있다. 냉각기 (40) 는, 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 본 실시형태에 있어서는, A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.

또한, 방열판 (18) 과 냉각기 (40) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 고정 나사 (45) 에 의해 체결되어 있다.

그리고, 금속층 (13) 과 방열판 (18) 사이에 개재되는 땜납층 (17) 은, 주성분인 Sn 과, 이 Sn 의 모상 중에 고용되는 고용 원소를 함유하는 고용 경화형 땜납재에 의해 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 고용 원소로서 Sb 를 2 질량％ 이상 10 질량％ 이하의 범위로 함유하는 Sn-Sb 계 합금으로 이루어지는 땜납재로 되고, 구체적으로는, Sn-5 질량％ Sb 땜납재로 되어 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 금속층 (13) 과 땜납층 (17) 사이에 Ni 도금층 (도시하지 않음) 이 형성되어 있다.

이하에, 상기 서술한 구성의 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판 (20) 의 제조 방법에 대해, 도 3 을 참조하여 설명한다.

먼저, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 제 1 면측에, 회로층 (12) 이 되는 금속판 (22) (4 N 알루미늄의 압연판) 이, 두께 5 ∼ 50 ㎛ (본 실시형태에서는 14 ㎛) 의 납재박 (24) 을 개재하여 적층된다.

또, 세라믹스 기판 (11) 의 제 2 면측에, 금속층 (13) 이 되는 금속판 (23) (2 N 알루미늄의 압연판) 이 두께 5 ∼ 50 ㎛ (본 실시형태에서는 14 ㎛) 의 납재박 (25) 을 개재하여 적층된다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 납재박 (24, 25) 은, 융점 강하 원소인 Si 를 함유한 Al-Si 계의 납재로 되어 있다.

다음으로, 상기 서술한 바와 같이 적층한 금속판 (22), 납재박 (24), 세라믹스 기판 (11), 납재박 (25), 금속판 (23) 을, 그 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 5 kgf/㎠) 한 상태로 가열로 내에 장입 (裝入) 하여 가열한다. 그러면, 납재박 (24, 25) 과 금속판 (22, 23) 의 일부가 용융되고, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 각각 용융 금속 영역이 형성된다. 여기서, 가열 온도는 550 ℃ 이상 650 ℃ 이하, 가열 시간은 30 분 이상 180 분 이하로 되어 있다. 그리고, 가열 후에 냉각시킴으로써, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 형성된 용융 금속 영역을 응고시키고, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22) 및 금속판 (23) 을 접합시킨다.

이 때, 납재박 (24, 25) 에 함유되는 융점 강하 원소 (Si) 가 금속판 (22, 23) 으로 확산된다.

이와 같이 하여, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 되는 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 이 접합되어, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 이 제조된다.

또, 금속층 (13) 에 있어서는, 납재박 (25) 에 함유되는 Si 가 확산됨으로써 계면 근방층 (13A) 이 형성된다. 동일하게, 회로층 (12) 에 있어서는, 납재박 (24) 에 함유되는 Si 가 확산됨으로서 계면 근방층 (12A) 이 형성된다.

다음으로, 이 파워 모듈용 기판 (10) 의 금속층 (13) 의 타방의 면에 Ni 도금막을 형성한 후에, Sn-5 질량％ Sb 땜납재를 사용하여 방열판 (18) 을 땜납 접합한다. 이로써, 금속층 (13) 과 방열판 (18) 사이에 땜납층 (17) 이 형성되어, 본 실시형태인 방열판이 형성된 파워 모듈용 기판 (20) 이 제조된다.

그리고, 이 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판 (20) 의 방열판 (18) 이 고정 나사 (45) 에 의해 냉각기 (40) 에 체결된다. 이로써, 본 실시형태인 냉각기 장착 파워 모듈용 기판이 제출 (製出) 된다.

또, 회로층 (12) 의 일방의 면에 칩용 땜납층 (2) 을 개재하여 반도체 칩 (3) 을 탑재한다. 이로써, 본 실시형태인 파워 모듈 (1) 이 제출된다.

이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판 (20) 및 파워 모듈 (1) 에 있어서는, 금속층 (13) 이, Al 의 함유량이 99.0 질량％ 이상 99.85 질량％ 이하로 된 2 N 알루미늄으로 이루어지는 금속판 (23) 을 세라믹스 기판 (11) 에 접합함으로써 형성되어 있기 때문에, 냉열 사이클 부하 후에 금속층 (13) 이 용이하게 변형되지 않아, 땜납층 (17) 에 있어서의 크랙의 발생을 억제할 수 있다.

또, 땜납층 (17) 이, 주성분인 Sn 과, 이 Sn 의 모상 중에 고용되는 고용 원소를 함유하는 고용 경화형의 땜납재에 의해 형성되어 있고, 본 실시형태에서는, 고용 원소로서 Sb 를 2 질량％ 이상 10 질량％ 이하의 범위에서 함유하는 Sn-Sb 계 합금으로 이루어지는 땜납재로 되고, 구체적으로는, Sn-5 질량％ Sb 땜납재에 의해 형성되어 있기 때문에, 땜납층 (17) 의 모상의 강도가 높아지고, 또한, 냉열 사이클이 부하된 경우여도 땜납층 (17) 의 모상의 강도가 확보된다. 따라서, 금속층 (13) 의 둘레 가장자리부에 있어서 땜납층 (17) 에 크랙이 발생한 경우여도, 이 크랙이 금속층 (13) 의 내측 영역으로까지 진전되는 것을 억제할 수 있다.

또한, Sb 의 함유량이 2 질량％ 미만에서는, 고용 경화의 효과가 불충분해질 우려가 있고, Sb 의 함유량이 10 질량％ 를 초과하면, 땜납층 (17) 이 지나치게 경화될 우려가 있다. 이 점에서, 고용 원소로서 Sb 를 함유하는 경우에는, 그 함유량을 2 질량％ 이상 10 질량％ 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다.

또, 방열판 (18) 은, 영률이 130 ㎬ 이하 및 인장 강도가 250 ㎫ 이상인 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있기 때문에, 방열판 (18) 은, 탄성 변형되기 쉽고, 또한, 소성 변형되기 어려워진다. 즉, 방열판 (18) 의 탄성 변형 영역이 넓어지는 것이다. 따라서, 방열판 (18) 의 탄성 변형에 의해, 땜납층 (17) 에 발생하는 변형을 저감시킬 수 있고, 금속층 (13) 의 둘레 가장자리부에 있어서 발생한 크랙이 금속층 (13) 의 내측 영역으로까지 진전되는 것을 억제할 수 있다.

또, 방열판 (18) 이 휘듯이 소성 변형되는 것이 억제되므로, 냉각기 (40) 와 방열판 (18) 을 밀착시킬 수 있고, 반도체 칩 (3) 의 열을 냉각기 (40) 를 향하여 효율적으로 방산시킬 수 있다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.

예를 들어, 본 발명의 실시형태로는, 히트 싱크로서 방열판을 사용하여 설명했지만, 도 1 에 나타내는 구성의 냉각기에 직접 접합하는 경우, 또는 히트 싱크로서 핀이 형성된 액랭, 공랭 방열기, 히트 파이프 등을 사용해도 된다.

또, 회로층이 되는 금속판 및 금속층이 되는 금속판과 세라믹스 기판을 납재박을 사용하여 접합하는 것으로 하여 설명했는데, 이것에 한정되지 않고, 등온 확산 접합 (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding) 에 의해 회로층이 되는 금속판 및 금속층이 되는 금속판과 세라믹스 기판을 접합한 것이어도 된다.

또한, 히트 싱크를, 영률이 130 ㎬ 이하, 또한, 인장 강도가 250 ㎫ 이상인 구리 또는 구리 합금으로 구성한 것으로 설명했는데, 이것에 한정되지 않고, 다른 구리 또는 구리 합금으로 구성된 히트 싱크여도 된다.

또, 회로층을 알루미늄에 의해 형성한 것으로 설명했는데, 이것에 한정되지 않고, 회로층을 구리 또는 구리 합금에 의해 형성해도 된다.

실시예

다음으로, 본 발명의 효과를 확인하기 위하여 실시한 확인 실험의 결과에 대해 설명한다.

표 1 에 나타내는 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판을 제조하고, 초기의 접합률, 및, 냉열 사이클 후의 접합률에 대해 평가하였다.

여기서, 회로층 및 금속층의 사이즈는 37 ㎜ × 37 ㎜ 로 하고, 세라믹스 기판의 사이즈는 40 ㎜ × 40 ㎜ 로 하였다.

히트 싱크로서 방열판을 사용하고, 그 방열판의 사이즈는 70 ㎜ × 70 ㎜ × 3 ㎜ 로 하고, 또, 방열판과 금속층 사이의 땜납층의 두께를 0.4 ㎜ 로 하였다.

금속층과 방열판 사이의 접합률은 초음파 탐상 장치를 사용하고, 이하의 식을 사용하여 접합률을 구하였다. 여기서, 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적, 즉 금속층 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)

또한, 접합률은, 냉열 사이클 부하 전과 부하 후에서 측정하였다.

또, 냉열 사이클은, 냉열 충격 시험기 에스펙사 제조 TSB-51 을 사용하고, 시험편 (히트 싱크 장착 파워 모듈) 에 대해 액상 (플루오리너트) 으로, － 40 ℃ 에서 5 분 및 125 ℃ 에서 5 분의 사이클을 반복하여, 2000 사이클 실시하였다.

평가 결과를 표 1 에 나타낸다.

고용 경화형 이외의 땜납재를 사용한 비교예 1, 2 에 있어서는, 냉열 사이클 부하 후에 접합률이 저하된 것이 확인된다. 냉열 사이클 부하 후에 땜납층의 모상의 강도가 저하되고, 금속층의 둘레 가장자리부에 있어서 발생한 크랙이 금속층의 내측 영역으로까지 진전되었기 때문인 것으로 추측된다.

또, 금속층을 4 N 알루미늄에 의해 형성한 비교예 3, 4 에 있어서도, 냉열 사이클 부하 후에 접합률이 저하된 것이 확인된다. 땜납층의 넓은 범위에서 크랙이 발생했기 때문인 것으로 추측된다.

이에 반하여, 본 발명예 1 ∼ 7 에 있어서는, 냉열 사이클 부하 후에도 접합률이 저하되지 않았다. 금속층을 Al 의 함유량이 99.0 질량％ 이상 99.85 질량％ 이하로 된 알루미늄판에 의해 형성하고, 고용 경화형의 땜납재를 사용함으로써, 금속층과 히트 싱크의 접합 신뢰성이 향상되는 것이 확인되었다.

산업상 이용가능성

1 : 파워 모듈
3 : 반도체 칩 (전자 부품)
10 : 파워 모듈용 기판
11 : 세라믹스 기판
13 : 금속층
17 : 땜납층
18 : 히트 싱크 (방열판)

Claims

세라믹스 기판과, 상기 세라믹스 기판의 일방의 면에 배치 형성된 회로층과, 상기 세라믹스 기판의 타방의 면에 배치 형성된 알루미늄으로 이루어지는 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판과, 이 금속층의 타방의 면측에 땜납층을 개재하여 접합된 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 히트 싱크를 구비한 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판으로서,
상기 금속층은, Al 의 함유량이 99.0 질량％ 이상 99.85 질량％ 이하인 알루미늄판이 상기 세라믹스 기판에 접합되어 형성되어 있고,
상기 땜납층은, Sn 과, 이 Sn 의 모상 중에 고용되는 고용 원소로서 2 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위의 Sb 를 함유하는 Sn－Sb 계 합금으로 이루어지는 땜납재에 의해 형성되어 있고,
상기 히트 싱크는, 영률이 130 ㎬ 이하, 또한, 인장 강도가 250 ㎫ 이상인 구리 또는 구리 합금으로 구성되어 있는, 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판.
제 1 항에 기재된 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판과, 상기 히트 싱크의 타방의 면측에 적층 배치된 냉각기를 구비하고 있는, 냉각기 장착 파워 모듈용 기판.
제 1 항에 기재된 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판과, 이 히트 싱크 장착 파워 모듈용 기판 상에 탑재되는 전자 부품을 구비하고 있는, 파워 모듈.
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