파워 디바이스에서 귀금속 접합재 재의 신뢰성 향상

일렉트로닉스 센서용 재료 반도체 접합 및 봉지

2022/06/01

월간 '용접기술' 2022년 6월호
다나까귀금속공업 주식회사 기시모토 귀신

1. 소개

파워 디바이스는 전력을 변환하기 위한 반도체 장치이며, 자동차, 재생 가능 에너지, 산업용 기기 등, 많은 용도로 이용되고 있다. 그 중에서도 자동차의 용도에서는 하이브리드화, 전동화가 진행되고 있으며, 파워 디바이스의 수요는 해마다 증가하고 있다. 또한, 성능면에서도, 고효율화·소형화·고출력화의 개발이 진행되고 있고, 파워 디바이스를 구성하는 각각 부재에 있어서는, 성능의 향상과, 보다 엄격한 사용 환경에 견디는 신뢰성의 향상이 요구되고 있다.

도 1은 파워 디바이스의 구조를 나타낸다. 파워 디바이스는 복수의 부재로 구성되어 있으며, 이들 재료는 반도체, 금속, 세라믹 등 다양하다. 또한, 부재끼리는 접합되어 있고, 이종 재료의 접합이 복수의 계면에서 행해지고 있다. 파워 디바이스가 동작하지 않을 때, 예를 들면 차의 주차 중 등은 외기온에 가까운 온도까지 냉각되게 된다. 특히 동계에는 빙점 아래 이하, 지역에 따라서는 마이너스 수십도까지 냉각되는 경우가 있다. 한편으로 자동차가 달리기 시작하면, 파워 디바이스에 전기가 흐르고 발열하고, 백수십도까지 온도가 상승한다. 이와 같이, 파워 디바이스의 동작이 반복될 때마다, 발열과 냉각이 반복하여 행해지고, 파워 디바이스를 구성하는 부재와 그 접합부에는, 반복의 열 충격이 가해지게 되어, 이종 재료의 접합부에는 특히 큰 힘이 걸린다.

파워 디바이스를 구성하는 부재 중에는 세라믹 회로 기판 이라 불리는 부재가 있다. 세라믹판의 양면에 구리판이 접합된 구조를 하고 있으며, 표면은 전기 회로의 기능을 가지고 있으며, 이면은 방열의 역할을 하고 있다. 중앙에 배치된 세라믹 판은, 이 전기 회로와 냉각 장치의 사이에서, 전기적인 절연을 행하는 역할을 하면서, 반도체 소자가 발생한 열은 냉각 장치에 놓치는 중요한 작용을 하고 있다. 파워 디바이스의 동작에 의해 발생하는 열에 의해 세라믹 판의 표면에 접합된 구리는 크게 팽창하고, 동작이 종료하면 냉각되어 수축하게 된다. 한편, 세라믹은 열에 의해 거의 팽창하지 않는 성질을 갖는다. 이 때문에, 세라믹 회로 기판은 온도 변화에 의해 구리만이 팽창 수축을 반복하고, 세라믹과의 접합 계면에는 온도 변화에 의해 발생한 팽창 수축에 의한 응력이 계속해서 가해진다. 게다가, 지금까지는 파워 디바이스의 동작 온도가 최대로 150℃ 정도로 되어 있었지만, 향후는 보다 높은 175℃나 200℃에서의 동작의 요구도 나오고 있어 1), 세라믹 회로 기판의 열충격에 대한 내구성·신뢰성의 요구는 날마다 높아지고 있다. 또, 지금까지는 두께 0.3mm 정도의 동판이 세라믹판에 접합되어 사용되는 것이 일반적이었지만, 0.8mm나 그 이상의 두께의 구리를 사용하여 방열 성능을 향상시키는 시도도 행해지고 있어, 세라믹 회로 기판에 요구되는 성능은 날마다 높아지고 있다.

본 논문에서는 전력 장치의 구성 요소 중 하나 인 세라믹 회로 기판에 대해 신뢰성 향상을 검토했기 때문에보고한다.

2. 적용 배경 및 목적

세라믹 회로 기판에 사용되는 세라믹 판과 구리의 접합에는 여러 가지 방법이 있지만, 그 중 하나에 납땜에 의해 접합하는 방법이 있다.

일반적으로 납땜이란 금속끼리를 접합하기 위해 사용되는 접합 방법이며, 세라믹을 납땜에 의해 접합할 수 없다. 그러나, 활성금속 접합재로 불리는 특수 납땜 재료를 사용함으로써 세라믹을 직접 납땜하는 것이 가능해진다. 활성 금속이란, 납땜 재료에 티타늄 등의 활성 금속을 첨가 원소로서 첨가함으로써, 세라믹에 대한 젖음성을 개선한 납땜 재료이다. 은과 구리에 티타늄을 첨가한 활성금속 접합재가 널리 알려져 있으며, 세라믹 회로 기판의 제조에도 사용되고 있다.

일반적인 세라믹 회로 기판의 제조 방법을도 2에 나타낸다. 우선, 접합에 사용되는 활성금속 접합재 는 페이스트 형상의 것이 사용된다. 이 페이스트 납땜 재료는은, 구리, 티타늄 각각의 금속 분말과 유기 용제를 혼련하여 제조된다. 이 납땜 페이스트를 질화규소 등의 세라믹스판에 도포하고, 그 위에 구리판이 설치된다. 이 상태에서 진공 중에서 가열을 행하고, 납땜 페이스트를 용융시켜 납땜을 행한다. 이 때, 은동의 공정 합금이면 융점이 780℃이기 때문에, 800℃ 정도의 온도에서 납땜할 수 있지만, 이 공법에서 사용하고 있는 페이스트 납재는 앞에서 설명한 바와 같이 은, 구리, 티타늄 각각의 분말을 혼합한 상태이기 때문에, 800℃의 가열에서는 녹지 않고, 은의 융점에 가까운 900℃ 이상의 온도에서 가열하여 용융시켜 납땜이 행해진다.

납땜 후, 세라믹스의 양면에 구리가 접합된 상태가 얻어지지만, 편면에는 회로 패턴을 형성할 필요가 있기 때문에, 그 후 편면의 구리를 에칭으로 제거하는 작업이 행해진다. 회로 패턴을 형성하기 위해, 구리의 표면에 마스킹을 실시하고, 약액에 의해 구리의 에칭을 행한다. 또한, 구리를 에칭한 후에는 납땜재층이 존재하기 때문에, 납땜재층의 에칭도 행하여, 회로 패턴이 형성된다. 이상의 공정을 거쳐 세라믹 회로 기판 완성된다.

이러한 공정에서 세라믹 회로 기판 제조되지만, 이 방법을 사용하면 신뢰성에 몇 가지 우려가 있다. 하나는 높은 납땜 온도 (900 ℃ 이상)에 의한 영향. 두 번째는 에칭에 의한 세라믹에 대한 데미지이다.

우선, 높은 납땜 온도에 대해서, 일반적으로 금속보다도 세라믹의 열팽창률은 작고, 고온에서 납땜한 후 냉각되면, 세라믹과 금속의 열팽창 계수의 차에 의해, 접합 계면에는 큰 잔류 응력이 발생하게 된다. 본고의 처음에 기재한 바와 같이, 파워 디바이스가 동작할 때마다, 이 상태로부터 한층 더 반복의 열충격이 가해지게 되지만, 납땜 후의 상태로 벌써 큰 응력이 걸린 상태이기 때문에, 납땜 온도를 가능한 한 낮추어 구리의 팽창을 억제해, 세라믹스와의 접합 계면에 발생하는 응력을 최대한 낮추는 것이 바람직하다. 그러나, 은, 구리, 티탄 분말을 혼련한 활성금속 접합재 페이스트를 사용하고 있기 때문에, 납땜 온도의 저온화는 곤란하다.

다음으로, 에칭에 의한 데미지에 대해서, 세라믹스와 구리의 접합 계면은 납재층에 의해 접합되고 있지만, 세라믹스와 납재층의 계면에는, 활성금속 접합재 중에 포함되는 티탄과 세라믹스의 성분이 반응하여 생긴 티탄 화합물층이 되어 있다. 납땜재층이나 티탄 화합물층이 세라믹스 표면에 잔류해 버리면, 회로 패턴간의 절연을 확보할 수 없고, 전기가 예기치 않은 장소에 흐르게 되는 위험성이 있기 때문에, 완전히 제거할 필요가 있다. 티타늄 화합물을 제거하는 방법으로서는, 현상, 불화암모늄 등을 이용하여 처리를 행하고 있다. 이 방법의 경우, 티타늄 화합물을 제거하는 한편, 세라믹 기판, 질화규소 자체에 피해를 줄 우려가 있어, 신뢰성의 저하가 우려된다.

이와 같이, 종래 공법은 몇 가지 우려를 안고 있어, 향후의 보다 높은 내구성이나 신뢰성이 요구되었을 때에, 과제가 될 것으로 예측된다. 따라서, 이러한 문제를 해결할 수 있는 새로운 세라믹 회로 기판의 제조 방법의 개발이 필요하다.

3. 기술 내용

전술한 과제를 해결하기 위해, 납땜 온도의 저온화가 가능하고, 에칭 프로세스를 필요로 하지 않는 세라믹 회로 기판의 제조 방법에 대하여 검토를 행하였다. 해결책으로서, 활성금속 접합재와 구리를 클래드(Clad) 한 활성금속 접합재 /구리 클래드(Clad)재를 이용하는 것을 검토했으므로, 그 내용에 대해서 설명한다. 활성금속 접합재 / 구리 클래드(Clad)재의 사진을도 3에 나타내었다. 구리의 한쪽면에 얇은 활성금속 접합재 층이 붙어 있는 구조로 되어 있다. 구리와 활성금속 접합재 의 판형재를 연속적으로 붙인 후, 프레스 가공에 의해 펀칭하여 제작을 행하였다. 구리의 두께는 0.8mm이고, 납땜재의 두께는 20μm이다.

이 복합재에 사용한 납땜재는 AgCuSnTi 합금이다. 활성금속 접합재는 앞서 언급한 바와 같이 은, 구리, 티타늄으로 구성된 것이 알려져 있고, AgCuTi 합금의 납재 판형재도 유통하고 있다. 그러나, AgCuTi 합금을 용해 주조 후, 판 형상으로 가공하여 호일을 얻으려고 했을 경우,도 4에 나타내는 바와 같이, 금속 조직 중에 조대한 CuTi 화합물이 나타난다. 이 조대한 화합물은 매우 단단하고, 가공을 진행시키면, 판형재 표면에 튀어나오거나, 재료로부터 빠져나가거나 하여, 판형재의 파단·천공 등이 발생하여, 박판·박재로 가공하는 것이 곤란하였다. 당연히 구리와 붙잡는 것도 불가능했다.

그래서, AgCuTi 합금에 첨가재를 첨가함으로써 조직 개선을 행할 수 없는지 과거에 검토를 실시하고, AgCuSnTi 합금으로 함으로써, 티탄 화합물이 미세하게 분산시키는 것이 가능하다는 것을 발견하고, AgCuSnTi 합금의 활성금속 접합재를 개발했다. 이번에는 이 AgCuSnTi 합금을 사용함으로써 이전의 클래드(Clad)재를 시작할 수 있었다.

활성금속 접합재 구리 클래드(Clad)재를 이용한 세라믹 회로 기판의 제조 공정을도 5에 나타낸다. 회로 형상이나 히트싱크의 형상 등 임의의 형상으로 프레스 가공한 활성금속 접합재 /구리 클래드(Clad)재를 준비하고, 세라믹 판 위에 설치한다. 이 때, 카본 지그 등을 사용함으로써 위치 결정을 행하는 것이 가능하다. 그리고, 진공로에서 가열을 행하는 브레이징을 행한다. 이번에 사용한 납땜재의 융점은 750℃ 부근이며, 또, 납땜재는 합금이기 때문에, 앞의 페이스트와 같이 900℃ 이상의 가열은 필요없고, 800℃의 온도에서 납땜할 수 있고, 납땜 온도를 저온화할 수 있었다. 또한, 납땜 후의 에칭 가공에 대해서는, 사전에 프레스 가공으로 임의의 형상으로 가공이 끝나기 때문에, 에칭 프로세스도 필요로 하지 않고, 에칭 처리에 의한 세라믹스에의 데미지도 우려할 필요가 없어졌다. 이와 같이, 활성금속 접합재 /구리 클래드(Clad)재를 이용한 새로운 제조 공정을 사용함으로써, 전술한 종래 공법의 우려 사항을 해결할 수 있었다고 생각한다.

4. 지금까지의 성과

도 6은 활성금속 접합재 / 구리 클래드(Clad)재 사용하여 실제로 납땜 된 세라믹 회로 기판의 샘플을 도시한다.

그림 6. 활성금속 접합재 /구리 클래드(Clad)재를 사용하여 제작한 세라믹스 회로 기판

치수는 복합재가 0.8×30×30mm(납재층 20μm), 질화규소는 두께 0.32mm인 것을 사용했다.

도 7은 접합 후의 계면 상태 관찰 결과를 나타낸다. 관찰은 투과형 전자현미경(TEM)을 사용하여 행하였다. TEM 관찰의 결과, 세라믹 근방에는 티타늄이 모여 있는 것이 확인되었고, 이 티타늄의 층은 접합 계면 전체에 걸쳐 균일하게 되어 있는 것이 확인되었다. 또한, 티타늄 층의 상세에 대해서는 질화 규소에 가까운 측으로부터 TiN · Ti5Si3이었다. 이들 화합물은 일반적으로 질화규소를 활성금속 접합재로 접합한 경우에 나타나는 물질이며 2) AgCuSnTi 합금의 활성금속 접합재와 질화 규소가 반응하여 납땜이 되어 있다고 생각한다. 또, 질물계의 세라믹스를 활성금속 접합재로 접합한 경우에, 세라믹스와 납땜재의 접합 계면에 TiSi층을 과잉으로 할 수 있으면 강도 저하를 초래한다고 하는 보고가 되고 있지만 3), 이번의 경우, TiNi층은 접합계 면 전체에 걸쳐서 이루어져 있지만, Ti5Si3층은 부분적으로 이루어져 있는 것만으로, 비연속적인 상태로 존재하고 있고, 취화층이 되어 접합 신뢰성에 악영향을 줄 우려가 없고, 양호한 접합 상태가 얻어지고 있다고 생각한다.

다음으로, 신뢰성을 평가하기 위해 히트 사이클 시험을 실시하였다. 히트 사이클 시험이란 파워 디바이스의 동작을 모의한 평가 시험의 하나로, 냉각실과 가열실을 교대로 이동함으로써 시험 샘플에 열 충격을 주고, 열 충격에 대한 내구성을 평가하는 시험이다. 이번에는 냉각실을 -50° 가열실을 175℃로 설정하고, 각각 30분의 유지 시간으로서 1사이클 1시간의 조건으로 시험을 실시하였다. 평가 방법으로서는 초음파 탐상을 이용하여 납땜 후의 상태·히트 사이클 시험 250 사이클마다의 상태를 측정하여 평가를 행하였다.

히트 사이클 시험 결과를도 8에 나타낸다.

납땜 직후·히트 사이클 시험 전의 상태에서는 보이드나 박리 등은 확인되지 않고, 구리와 세라믹이 면 전체에서 접합되어 있는 상태를 확인할 수 있었다. 또, 시험이 250사이클·500사이클로 진행되어도, 그 상태에는 변화가 보이지 않았고, 1500사이클의 시험 후에도 변화는 보이지 않았다. 이 때문에, 열충격에 대하여 충분한 내구성을 가지고 있는 것을 확인할 수 있고, 활성금속 접합재 복합재를 이용한 제조 방법에 의해 제작한 세라믹스 기판은, 열 충격에 대하여 높은 신뢰성을 가지고 있다고 생각한다.

5. 미래 전개

보다 높은 신뢰성을 확보하기 위해서는, 추가의 납땜 온도의 저온화가 하나의 해결책이라고 생각한다. 현재, 납땜 온도의 저온화를 위해, 납재 성분의 최적화를 진행하고 있다. 또한, 파워 디바이스의 추가 소형화와 출력 밀도가 높아지는 것도 예측되기 때문에, 방열성을 올릴 필요도 있다고 생각하고 있다. 그 해결책으로서, 양면 냉각 구조의 검토도 실시하고 있다.도 9는 양면 냉각 구조에의 응용 예를 나타낸다. 반도체 소자로부터 발생한 열을, 종래는 하방향의 일방향만으로 탈출하고 있었지만, 양면에 세라믹스 회로 기판을 배치함으로써, 상하 2 방향으로 열을 탈출할 수 있게 되어, 방열 성능을 향상시킬 수 있다. 이 때, 세라믹 회로 기판 표면에는 회로 패턴과 함께 단자도 동시에 성형하는 공법을 검토하고있다. 활성금속 접합재 /구리 클래드(Clad)재 임의의 형상으로 프레스 가공을 행할 수 있기 때문에, 이러한 형상을 간편하게 제작할 수 있어, 활성금속 접합재 /구리 클래드(Clad)재 특징을 살릴 수 있다고 생각하고 있다.

6. 결론

파워 디바이스를 구성하는 부재인 세라믹스 회로 기판에 대해서, 종래의 제조 방법에서는 고온에서의 납땜이나 에칭 공정에서의 세라믹스에의 약액에 의한 데미지 등에 의해, 신뢰성이 저하되고 있는 것이 우려되어, 향후 예측되는 보다 엄격한 사용 환경에 대응할 수 없게 될 우려가 있다.

이번 과제를 해결하기 위해서, 활성금속 접합재 /구리 클래드(Clad)재를 개발하고, 납땜 온도의 저온화와 에칭 공정을 필요로 하지 않는 공법에 대해 검토를 실시했다.

납땜 온도는 종래의 900℃ 이상에서 800℃까지 100℃ 낮출 수 있고, 납땜 전에 프레스 가공을 행하여 회로 형상을 형성함으로써, 에칭 공정을 필요로 하지 않는 공정으로 할 수 있었다. 이 새로운 공법을 이용하여 제작한 세라믹스 회로 기판의 샘플에 대해서, 히트 사이클 시험에서의 평가의 결과, -50℃에서 175℃의 조건에서의 시험에 있어서 1500사이클 이상의 내구성이 확인되어, 향후 전망되는 엄격한 환경하에서의 사용 조건에 대한 요구에 견딜 수 있는, 신뢰성이 높은 세라믹스 회로 기판을 제작할 수 있었다고 생각된다.

또, 추가적인 납땜 온도의 저온화나, 보다 높은 방열 성능을 얻기 위한 양면 냉각 구조 등, 활성금속 접합재 성분의 최적화· 클래드(Clad)재 응용 등 다양한 개발을 앞으로도 진행해 나갈 것을 계획하고 있다. 이러한 기술은 파워 디바이스의 신뢰성을 향상시키고, 더욱 효율적인 에너지의 이용이 이루어지고, 아름다운 지구의 미래에 공헌할 수 있기를 바랍니다.