DE102018119772A1

DE102018119772A1 - Transiente Flüssigphasen-Bindungszusammensetzungen und Leistungselektronikbauteile, welche dieselben beinhalten

Info

Publication number: DE102018119772A1
Application number: DE102018119772.1A
Authority: DE
Inventors: Shailesh N. Joshi; Yanghe Liu
Original assignee: Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc; Toyota Engineering and Manufacturing North America Inc
Current assignee: Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2018-08-14
Publication date: 2019-03-14
Also published as: US20210381110A1; US20190078212A1

Abstract

Eine transiente Flüssigphasen-(TLP)-Zusammensetzung umfasst eine Mehrzahl an ersten Hochschmelztemperatur-(HMT)-Partikeln, eine Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln, und eine Mehrzahl an Niedrigschmelztemperatur-(LMT)-Partikeln. Jeweils die Mehrzahl der ersten HMT-Partikel weist eine Kern-Schale-Struktur mit einem aus einem ersten HMT-Material gebildeten Kern auf, und einer Schale, welche aus einem zweiten HMT-Material gebildet wird, welches sich von dem ersten HMT-Material unterscheidet. Die Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln wird aus einem dritten HMT-Material gebildet, welches sich von dem zweiten HMT-Material unterscheidet, und die Mehrzahl an LMT-Partikeln wird aus einem LMT-Material gebildet. Die LMT-Partikel weisen eine geringere Schmelztemperatur als eine TLP-Sinterungstemperatur der TLP-Zusammensetzung auf, und die ersten, zweiten, und dritten HMT-Materialien weisen einen höheren Schmelzpunkt als die TLP-Sinterungstemperatur auf.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein Bindungs- bzw. Fügematerialien und insbesondere transiente Flüssigphasen-Fügematerialien zum Binden von Halbleitern bzw. Halbleitervorrichtungen auf Metallsubstraten während der Herstellung von Leistungselektronikbauteilen bzw. -baugruppen.
HINTERGRUND
Leistungselektronikvorrichtungen werden oft in Hochleistungselektronikanwendungen, wie Inverter- bzw. Wechselrichtersysteme für Hybrid-Elektrofahrzeuge und Elektrofahrzeuge verwendet. Derartige Leistungselektronikvorrichtungen umfassen Leistungshalbleitervorrichtungen, wie Leistungs-IGBT und Stromtransistoren, welche auf einem Metallsubstrat thermisch gebunden sind. Das Metallsubstrat kann anschließend weiter auf einer Kühlstruktur, wie einer Wärmesenke bzw. einem Kühlkörper, gebunden werden.
Mit Fortschritten in der Batterietechnologie und Zunahmen in der Packungsdichte von Elektronikvorrichtungen wurden Betriebstemperaturen von Leistungselektronikvorrichtungen erhöht und nähern sich derzeit 200 °C. Dementsprechend bieten traditionelle Löttechniken für Elektronikvorrichtungen nicht mehr eine geeignete Haftung bzw. Bindung von Halbleitervorrichtungen auf Metallsubstraten und alternative Fügeverfahren werden benötigt. Ein derartiges alternatives Fügeverfahren ist die transiente Flüssigphasen-Sinterung („transient liquid phase“, hier auch als „TLP-Bindung“ bezeichnet). Die TLP-Sinterung einer Leistungselektronikvorrichtung verwendet eine zwischen einer Halbleitervorrichtung und einem Metallsubstrat eingelagerte (eingelegte bzw. eingeschobene) Bindungsschicht. Die Bindungsschicht schmilzt zumindest teilweise und erstarrt isotherm, um eine TLP-Bindung zwischen der Halbleitervorrichtung und dem Metallsubstrat bei TLP-Bindungstemperaturen (auch als Sinterungstemperaturen bezeichnet) zwischen ungefähr 280 °C bis ungefähr 350 °C auszubilden. Die Halbleitervorrichtungen und die Metallsubstrate weisen verschiedene Koeffizienten der thermischen Expansion („coefficients of thermal expansion“, CTE) auf, und große thermisch induzierte Spannungen (z.B. Kühlspannungen) können zwischen einer Halbleitervorrichtung und einem Metallsubstrat durch Kühlen von einer TLP-Sinterungstemperatur erzeugt werden. Die großen thermischen Kühlspannungen können aufgrund der Diskrepanz der CTE zwischen der Leistungshalbleitervorrichtung und dem Metallsubstrat in einer Schichtablösung zwischen der Halbleitervorrichtung und dem Metallsubstrat einer Leistungselektronikvorrichtung resultieren, wenn die derzeit bekannte Verbindungsschichten verwendet werden, um die TLP-Bindung auszubilden.
ZUSAMMENFASSUNG
In einer Ausführungsform umfasst eine transiente Flüssigphasen-(TLP)-Zusammensetzung eine Mehrzahl an ersten Hochschmelztemperatur-(HMT)-Partikeln, eine Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln und eine Mehrzahl an Niedrigschmelztemperatur-(LMT)-Partikeln. Die Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln weist eine Kern-Schale-Struktur mit einem aus einem ersten HMT-Material gebildeten Kern auf, und einer aus einem zweiten HMT-Material gebildeten Schale. Die Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln ist aus einem dritten HMT-Material gebildet, und die Mehrzahl an LMT-Partikeln ist aus einem LMT-Material gebildet. Das erste HMT-Material kann Nickel, Silber, Kupfer, Aluminium, oder eine Legierung derselben sein. Das zweite HMT-Material kann Nickel, Silber, Kupfer, oder eine Legierung derselben sein. Das dritte HMT-Material kann Nickel, Silber, Kupfer, Aluminium, oder einer Legierung derselben sein. Das LMT-Material kann Zinn, Indium, oder eine Legierung derselben sein. Die Konzentration des LMT-Materials in der TLP-Zusammensetzung kann zwischen ungefähr 25 Gewichtprozent (Gew.-%) und ungefähr 75 Gew.-% sein. Ein mittlerer Durchmesser des Kerns der Mehrzahl der ersten HMT-Partikel kann zwischen 10 Mikrometer (µm) und ungefähr 50 µm sein. Die mittlere Dicke der Schale der Mehrzahl der ersten HMT-Partikel kann zwischen ungefähr 0,5 µm und ungefähr 15 µm sein, und ein mittlerer Durchmesser der Mehrzahl der HMT-Partikel kann zwischen ungefähr 5 Mikrometer (µm) und 50 µm sein. Die TLP-Zusammensetzung kann verwendet werden, um eine dazwischen angeordnete TLP-Bindungsschicht auszubilden und zwei Komponenten miteinander zu verbinden. In den Ausführungsformen weist die Mehrzahl an ersten HMT-Partikel innerhalb der TLP-Bindungsschicht einen abgestuften mittleren Durchmesser entlang ihrer Dicke auf. In anderen Ausführungsformen weist die TLP-Bindungsschicht eine abgestufte Dichte der Mehrzahl an ersten HMT-Partikel entlang einer Dicke der TLP-Bindungsschicht auf.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Leistungselektronikbauteil eine Halbleitervorrichtung, welche entlang eines Metallsubstrates ausläuft, und eine TLP-Bindungsschicht, welche zwischen der Halbleitervorrichtung und dem Metallsubstrat eingelagert ist. Die TLP-Bindungsschicht umfasst eine Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln, eine Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln, und eine dazwischen befindliche TLP-Intermetallschicht, und die TLP verbindet die Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln, die Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln, die Halbleitervorrichtung und das Metallsubstrat miteinander. Jede der Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln weist eine Kern-Schale-Struktur mit einem aus einem ersten HMT-Material gebildeten Kern und eine aus einem zweiten HMT-Material gebildete Schale auf. Jede der Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln ist aus einem dritten HMT-Material ausgebildet. Das erste HMT-Material, das zweite HMT-Material, das dritte HMT-Material und die TLP-Intermetallschicht weisen einen höheren Schmelzpunkt als eine TLP-Sinterungstemperatur zur Ausbildung der TLP-Bindungsschicht aus einer TLP-Zusammensetzung auf. Die TLP-Bindungsschicht kann eine gestufte bzw. abgestufte Steifigkeit entlang ihrer Dicke aufweisen. In den Ausführungsformen weist die TLP-Bindungsschicht örtliche Variationen in der Steifigkeit an Stellen auf, an welchen die Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln innerhalb der TLP-Bindungsschicht angeordnet ist. Außerdem kann die Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln innerhalb der TLP-Bindungsschicht einen gestuften mittleren Durchmesser entlang einer Dicke der TLP-Bindungsschicht aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die TLP-Bindungsschicht eine gestufte Dichte der Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln entlang einer Dicke der TLP-Bindungsschicht aufweisen. Das erste HMT-Material kann Nickel, Silber, Kupfer, Aluminium, oder eine Legierung derselben sein. Das zweite HMT-Material kann Nickel, Kupfer, Silber, oder eine Legierung derselben sein. Das dritte HMT-Material kann Nickel, Silber, Kupfer, Aluminium, oder eine Legierung derselben sein, und die TLP-Intermetallschicht kann Zinn umfassen.
In noch einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungselektronikbauteils das Anordnen einer TLP-Verbindungsschicht zwischen einem Metallsubstrat und einer Halbleitervorrichtung, um ein Metallsubstrat/Halbleitervorrichtung-Bauteil bereitzustellen. Die TLP-Bindungsschicht umfasst eine Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln, eine Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln, und einer Mehrzahl an LMT-Partikeln. Jede der Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln weist eine Kern-Schale-Struktur mit einem aus einem ersten HMT-Material ausgebildeten Kern und einer aus einem zweiten HMT-Material ausgebildeten Schale auf. Jede der Mehrzahl an zweiten HMT-Partikel ist aus einem dritten HMT-Material gebildet, und jede der Mehrzahl an LMT-Partikel ist aus einem LMT-Material gebildet. Das Metallsubstrat/Halbleitervorrichtungsbauteil wird auf eine TLP-Sinterungstemperatur erwärmt, und eine TLP-Bindungsschicht wird zwischen dem Metallsubstrat und einer Halbleitervorrichtung ausgebildet. Das erste HMT-Material, das zweite HMT-Material, und das dritte HMT-Material weisen einen Schmelzpunkt über der TLP-Sinterungstemperatur auf. Das LMT-Material weist einen Schmelzpunkt unter der TLP-Sinterungstemperatur auf, sodass die Mehrzahl an LMT-Partikeln zumindest teilweise schmelzen und eine TLP-Intermetallschicht zwischen der Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln, der Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln, dem Metallsubstrat, und der Halbleitervorrichtung ausbilden. Die TLP-Bindungsschicht kann dazwischen eine gestufte Steifigkeit entlang seiner Dicke aufweisen. In den Ausführungsformen kann die Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln innerhalb der TLP-Bindungsschicht einen gestuften, mittleren Durchmesser entlang einer Dicke der TLP-Bindungsschicht aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann jede TLP-Bindungsschicht eine gestufte Dichte der Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln entlang einer Dicke der TLP-Bindungsschicht aufweisen.
Diese und zusätzliche durch die hier beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellten Merkmale bzw. Eigenschaften werden hinsichtlich der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung besser verständlich.
Figurenliste
Die in der Zeichnung dargelegten Ausführungsformen sind darstellerischer und beispielhafter Natur und sind nicht dazu da, den durch die Ansprüche definierten Gegenstand zu beschränken. Die nachstehende, detaillierte Beschreibung der darstellerischen Ausführungsformen kann verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit der nachstehenden Zeichnung gelesen werden, in der die gleiche Struktur bzw. der gleiche Aufbau mit gleichen Bezugszeichen angezeigt werden und wobei:

1 eine Seitenansicht eines Leistungselektronikbauteils mit einer Leistungshalbleitervorrichtung, welche mit einer transienten Flüssigphasen-(TLP)-Bindungsschicht an ein Metallsubstrat gebunden ist, gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen schematisch darstellt;
2 eine TLP-Zusammensetzung, welche für die Bereitstellung einer TLP-Bindungsschicht verwendet wird, gemäß einer oder mehreren hier gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen schematisch darstellt;
3 eine Explosionsansicht von 1 mit einer TLP-Verbindungsschicht, welche zwischen dem Metallsubstrat und der Halbleitervorrichtung angeordnet ist, vor der TLP-Sinterung gemäß einer oder mehreren hier gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen schematisch darstellt;
4 eine vergrößerte Ansicht der TLP-Bindungsschicht in 1, welche aus der TLP-Bindungsschicht in 3 gebildet ist, nach der TLP-Sinterung schematisch darstellt;
5 eine Explosionsansicht von 1 mit einer TLP-Verbindungsschicht, welche zwischen dem Metallsubstrat und der Halbleitervorrichtung angeordnet ist, vor der TLP-Sinterung gemäß einer oder mehreren hier gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen schematisch darstellt;
6 eine vergrößerte Ansicht der TLP-Bindungsschicht in 1, welche aus der TLP-Bindungsschicht in 5 gebildet ist, nach der TLP-Sinterung schematisch darstellt;
7 eine Explosionsansicht von 1 mit einer TLP-Verbindungsschicht, welche zwischen dem Metallsubstrat und der Halbleitervorrichtung angeordnet ist, vor der TLP-Sinterung gemäß einer oder mehreren hier gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen schematisch darstellt;
8 eine vergrößerte Ansicht der TLP-Bindungsschicht in 1, welche aus der TLP-Verbindungsschicht in 7 gebildet ist, nach der TLP-Sinterung schematisch darstellt; und
9 ein Fahrzeug mit einer Mehrzahl an Leistungselektronikbauteilen gemäß einer oder mehreren hier gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen schematisch darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
2 stellt eine Ausführungsform einer transienten Flüssigphasen-(TLP)-Zusammensetzung allgemein dar. Die TLP-Zusammensetzung umfasst eine Mehrzahl an ersten Hochschmelztemperatur-(HMT)-Partikeln, eine Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln, und eine Mehrzahl an Niedrigschmelztemperatur-(LMT)-Partikeln. Die TLP-Zusammensetzung kann verwendet werden, um eine TLP-Bindungsschicht zwischen einem Halbleiter und einem Metallsubstrat auszubilden, welche thermisch induzierte erzeugte Spannungen kompensiert, oder aus der Herstellung und dem Betrieb eines Leistungselektronikbauteils resultieren. Die thermisch induzierten Spannungen resultieren aufgrund einer Diskrepanz des Koeffizienten der thermischen Ausdehnung (CTE) zwischen der Halbleitervorrichtung und dem Metallsubstrat des Leistungselektronikbauteils. Jede der Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln umfasst eine Kern-Schale-Struktur mit einem aus einem ersten Hochschmelztemperatur-(HMT)-Material gebildeten Kern und einer Schale, welche aus einem zweiten HMT-Material, welches sich vom ersten HMT-Material unterscheidet, gebildet ist. Jede der Mehrzahl der zweiten HMT-Partikel wird aus einem dritten HMT-Material gebildet, welches sich vom zweiten HMT-Material unterscheidet. Die Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln stellen Variationen in Steifigkeit und/oder Duktilität entlang einer Dicke der TLP-Bindungsschicht bereit, welche die thermisch induzierten Spannungen kompensieren, welche aus der Herstellung und dem Betrieb des Leistungselektronikbauteils resultieren oder gebildet wurden. Verschiedene Ausführungsformen der TLP-Zusammensetzung und Leistungselektronikbauteile, welche TLP-Bindungsschichten verwenden, werden hierbei detaillierter beschrieben.
Zunächst bezüglich 1, wird ein nicht-beschränkendes Leistungselektronikbauteil 100 dargestellt. Das Beispiel Leistungselektronikbauteil 100 enthält allgemein ein Metallsubstrat 110, zwei Halbleitervorrichtungen 120, welche an das Metallsubstrat 110 über eine TLP-Bindungsschicht 130' gebunden sind, eine Kühlstruktur 140, und ein Verpackungsgehäuse 102.
Die Dicken des Metallsubstrats 110 und der Halbleitervorrichtungen 120 können vom Anwendungszweck des Leistungselektronikbauteils 100 abhängen. In einer Ausführungsform weist das Metallsubstrat 110 eine Dicke innerhalb des Bereiches von ungefähr 2,0 mm bis ungefähr 4,0 mm auf, und die Halbleitervorrichtung 120 weist eine Dicke innerhalb des Bereiches von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 0,3 mm auf. Zum Beispiel und ohne Beschränkung kann das Metallsubstrat eine Dicke von ungefähr 3,0 mm aufweisen, und die Halbleitervorrichtung 120 kann eine Dicke von ungefähr 0,2 mm aufweisen. Es sollte verstanden werden, dass andere Dicken verwendet werden können.
Das Metallsubstrat 110 kann aus einem thermisch leitfähigen Material gebildet werden, sodass Wärme von den Halbleitervorrichtungen 120 auf die Kühlstruktur 140 übertragen wird. Das Metallsubstrat kann aus Kupfer (Cu), z.B. sauerstofffreies Cu, Aluminium (Al), Cu-Legierungen, Al-Legierungen, und ähnliches gebildet sein. Die Halbleitervorrichtungen 120 können aus Halbleitermaterial mit einer breiten Bandlücke gebildet werden, welche sich zur Herstellung oder Produktion von Leistungshalbleitervorrichtungen wie Leistungsbipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), Metalloxid-Leistungshalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), Leistungstransistoren, und ähnlichem eignen. In den Ausführungsformen können die Halbleitervorrichtungen 120 aus Halbleitermaterialien mit einer breiten Bandlücke einschließlich Siliziumcarbid (SiC), Siliziumdioxid (SiO₂), Aluminiumnitrid (AlN), Galliumnitrid (GaN), Bornitrid (BN), Diamant, und ähnlichem gebildet sein, ohne darauf beschränkt zu sein. In den Ausführungsformen können das Metallsubstrat 110 und die Halbleitervorrichtungen 120 eine Beschichtung, z.B. Nickel-(Ni)-Plattierung, umfassen, um bei der TLP-Sinterung der Halbleitervorrichtungen 120 an das Metallsubstrat 110 zu unterstützen.
Wie in 1 dargestellt, ist das Metallsubstrat 110 über die TLP-Bindungsschicht 130' an zwei Halbleitervorrichtungen 120 gebunden. Es können mehr oder weniger Halbleitervorrichtungen 120 an das Metallsubstrat 110 angefügt werden. In einigen Ausführungsformen können von Leistungshalbleitervorrichtungen verschiedene Wärmeerzeugungsvorrichtungen an das Metallsubstrat 110 angefügt werden. Die Halbleitervorrichtungen 120 können Leistungshalbleitervorrichtungen wie IGBT, Leistungsdioden, MOSFET, Leistungstransistoren, und ähnliches sein. In einer Ausführungsform sind die Halbleitervorrichtungen 120 von einem oder mehreren Leistungselektronikbauteilen elektrisch gekoppelt, um eine Inverterschaltung oder ein System für Fahrzeuganwendungen, wie zum Beispiel für Hybrid-Fahrzeuge oder elektrische Fahrzeuge, auszubilden.
Das Metallsubstrat 110 ist an die Kühlstruktur 140 über eine Bindungsschicht 138 thermisch gekoppelt. In einer Ausführungsform umfasst die Kühlstruktur 140 eine luftgekühlte Wärmesenke. In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Kühlstruktur 140 eine flüssiggekühlte Wärmesenke, wie eine Düsenstrahl- („jet impingement“) oder eine kanalbasierte Wärmesenkvorrichtung. Das Metallsubstrat 110 der dargestellten Ausführungsform ist direkt an eine erste Oberfläche 142 der Kühlstruktur 140 über die Bindungsschicht 138 ohne zusätzliche Zwischenschichten (z.B. zusätzliche metallische Grundplatten) gebunden. Das Metallsubstrat 110 kann an die Kühlstruktur 140 unter Verwendung einer Vielfalt an Fügeverfahren, wie durch TLP-Sinterung, Löten, Hartlöten, oder Diffusionsschweißen, zum Beispiel, gebunden werden. In einer alternativen Ausführungsform können jedoch eine oder mehrere thermisch leitfähige Zwischenschichten zwischen dem Metallsubstrat 110 und der Kühlstruktur 140 angeordnet sein.
Noch bezogen auf 1 kann das Metallsubstrat 110 innerhalb eines Verpackungsgehäuses 102, welches aus einem nicht-elektrisch leitfähigen Material, wie zum Beispiel Kunststoff hergestellt werden kann, belassen werden. Das Verpackungsgehäuse 102 kann an die Kühlstruktur 140 durch eine Vielfalt an mechanischen Kopplungsverfahren, wie beispielsweise durch die Verwendung von Befestigungsmittel oder Klebstoffe gekoppelt werden.
Innerhalb des Leistungselektronikbauteils 100 kann ein erster elektrischer Kontakt 104a und ein zweiter elektrischer Kontakt 104b sein, um die Halbleitervorrichtungen 120 mit elektrischen Stromanschlüssen zu versorgen. Der erste elektrische Kontakt 104a kann einem ersten Spannungspotential entsprechen, und der zweite elektrische Kontakt 104b kann einem zweiten Spannungspotential entsprechen. In der dargestellten Ausführungsform ist der erste elektrische Kontakt 104a an eine erste Oberfläche der Halbleitervorrichtungen 120 über einen ersten elektrischen Draht 121a elektrisch gekoppelt, und der zweite elektrische Kontakt 104b ist an eine zweite Oberfläche der Halbleitervorrichtungen 120 über einen zweiten elektrischen Draht 121b und das Metallsubstrat 110 elektrisch gekoppelt. Es sollte verstanden werden, dass andere elektrische oder mechanische Anordnungen bzw. Konfigurationen möglich sind, und dass Ausführungsformen nicht durch die Anordnung der in den Figuren dargestellten Bestandteile bzw. Komponenten beschränkt sind.
Nun bezugnehmend auf 2 wird eine schematisch vergrößerte Ansicht einer TLP-Zusammensetzung 130, welche für die Bildung einer TLP-Verbindungsschicht 131 (3) und die TLP-Bindungsschicht 130' verwendet wurde, dargestellt. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „TLP-Verbindungsschicht“ auf eine Schicht einer TLP-Zusammensetzung vor der TLP-Sinterung und der Begriff „TLP-Bindungsschicht“ bezieht sich auf eine TLP-Verbindungsschicht nach der TLP-Sinterung, d.h. eine TLP-Schicht, welche eine Komponente wie eine Halbleitervorrichtung, aber nicht darauf beschränkt, mit einer anderen Komponente, aber nicht darauf beschränkt, wie ein Metallsubstrat verbindet. Die TLP-Zusammensetzung 130 umfasst eine Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln 132 (hier auch als „erste HMT-Partikel 132“ bezeichnet), eine Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln 134 (hier auch als „zweite HMT-Partikel 134“ bezeichnet), und eine Mehrzahl an Niedrigschmelztemperatur-(LMT)-Partikeln 136 (hier auch als „LMT-Partikel 136“ bezeichnet). In den Ausführungsformen sind die ersten HMT-Partikel 132 als binäre Partikel mit einer Kern-Schale-Struktur angeordnet bzw. konfiguriert, welche einen aus Hochschmelztemperatur-(HMT)-Material gebildeten Kern 132c, und eine um den Kern 132c angeordnete und aus einem zweiten HMT-Material gebildete Schale 132s umfasst. In einigen Ausführungsformen ist die Schale 132s um den und in direktem Kontakt mit dem Kern 132c angeordnet. In anderen Ausführungsformen ist die Schale 132s um den und nicht in direktem Kontakt mit dem Kern 132c angeordnet. Die zweiten HMT-Partikel 134 und die LMT-Partikel 136 können auch keine Kern-Schale-Struktur aufweisen. Die zweiten HMT-Partikel 134 sind aus einem dritten HMT-Material gebildet und die LMT-Partikel 136 sind aus einem LMT-Material gebildet. Es sollte verstanden werden, dass nicht alle Partikel in der TLP-Zusammensetzung 130 aufgrund von Klarheit und Erleichterung der Darstellung nummeriert sind. Es sollte außerdem verstanden werden, dass die Partikel keine sphärische bzw. runde Form aufweisen, und dass sie beliebige Formen aufweisen können. Obwohl die Partikel der Zusammensetzung im Zusammenhang mit Bindung bzw. Verbindung beschrieben werden, ist die Verwendung derartiger Partikel nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel können die hier beschriebenen Partikel in einer Kompositmaterial-Anwendung eingesetzt werden.
Das LMT-Material der LMT-Partikel 136 weist eine Schmelztemperatur auf, welche jeweils niedriger ist als jene des ersten und des zweiten HMT-Materials des Kerns 132c bzw. der Schale 132s der ersten HMT-Partikel 132 und der zweiten HMT-Partikel 134. Dementsprechend stellt die in 2 dargestellte Ausführungsform eine ternäre TLP-Zusammensetzung 130 bereit, wobei die individuellen ersten HMT-Partikel 132 und die zweiten HMT-Partikel 134 miteinander durch Diffusion des LMT-Materials der LMT-Partikel 136 in die HMT-Materialien der Schale 132s der ersten HMT-Partikel 132 und der zweiten HMT-Partikel 134, was eine Hochtemperatur-Intermetalllegierung bildet, verbunden sind.
Die beispielhafte, in 2 dargestellte TLP-Zusammensetzung 130 stellt die TLP-Verbindungsschicht 131 (3) bereit, welche eine Temperatur des Wiederschmelzens aufweist, welche größer als die ursprüngliche Schmelztemperatur ist. Als ein Beispiel und nicht als eine Beschränkung, kann die ursprüngliche Schmelztemperatur (d.h. die Temperatur des Bindungsprozesses) weniger als ungefähr 250 °C sein, während die Temperatur des Wiederschmelzens (z.B., eine maximale Betriebstemperatur für eine durch die transiente Flüssigphasenzusammensetzung gebundene Leistungshalbleitervorrichtung) deutlich höher sein kann.
In den Ausführungsformen kann die Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln 132, die Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln 134, und die Mehrzahl an LMT-Partikeln 136 als lose Partikel in der Form eines Pulvers angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen kann die Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln 132, die Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln 134, und die Mehrzahl an LMT-Partikeln 136 als eine in einem Bindemittel 139 angeordnete Paste (3) konfiguriert sein. Das Bindemittel 139 kann ein anorganisches Bindemittel, ein organisches Bindemittel, oder eine Kombination eines anorganischen Bindemittels und eines organischen Bindemittels sein.
Zum Beispiel enthalten die ersten HMT-Materialien für den Kern 132c die ersten HMT-Partikel 132 Nickel (Ni), Silber (Ag), Cu, Aluminium (Al), und Legierungen derselben, sind aber nicht darauf beschränkt. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Legierungen derselben“ auf Legierungen, welche nicht auf die genannten Elemente beschränkt sind, wenn nicht anders angegeben. Zum Beispiel kann eine wie hier offenbarte Ni-Legierung eine Legierung umfassen, welche von Ni und Elementen außer Ag, Cu, und Al gebildet ist. Alternativ kann eine wie hier offenbarte Ni-Legierung eine Legierung umfassen, welche von Ni mit Ag, Cu, Cu und/oder Al, mit zusätzlichen Elementen gebildet ist. In einer weiteren Alternative kann auch eine wie hier offenbarte Ni-Legierung eine Legierung umfassen, welche nur aus Ni und Ag, Cu und/oder Al mit zufälligen Verunreinigungen, welche aus der Herstellung der Ni-Legierung vorliegen, gebildet ist. Zum Beispiel enthalten zweite HMT-Materialien für die Schale 132s der ersten HMT-Partikel 132 Ni, Ag, und Legierungen derselben, sind aber nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel enthalten HMT-Materialien für die zweiten HMT-Partikel 134 Ni, Ag, Cu, und Legierungen derselben, sind aber nicht darauf beschränkt. Es sollte verstanden werden, dass dasselbe Material nicht sowohl für den Kern 132c als auch für die Schale 132s der ersten HMT-Partikel 132 verwendet werden sollte. Außerdem können die zweiten HMT-Partikel 134 aus einem vom Kern 132s verschiedenen HMT-Material der ersten HMT-Partikel 132 gebildet sein. Zum Beispiel enthalten LMT-Materialien für die LMT-Partikel 136 Zinn (Sn), Indium (In), und Legierungen derselben, sind aber nicht darauf beschränkt.
Jede bekannte, oder noch zu entwickelnde Technik kann verwendet werden, um die hier beschriebenen ersten HMT-Partikel 132 herzustellen. Als nicht beschränkende Beispiele können die hier beschriebenen ersten HMT-Partikel 132 mit Galvanik, stromloser Plattierung und anderen Wasser-basierten Prozessen hergestellt werden.
Das Material für den Kern 132c der ersten HMT-Partikel 132 kann ausgewählt werden, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften der resultierenden TLP-Bindungsschicht 130', welche dem ursprünglichen Schmelzen der TLP-Zusammensetzung 130 folgt, zu erreichen. Zum Beispiel kann das Material für den Kern 132c ausgewählt werden, um die Steifigkeit der resultierenden TLP-Bindungsschicht 130' zu verringern. Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff „Steifigkeit“ das elastische Modul (auch bekannt als Young-Modul) eines Materials, d.h. ein Maß des Widerstandes eines Materials elastisch verformt zu werden, wenn eine Kraft auf das Material angewandt wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Material für den Kern 132c ausgewählt werden, um die Duktilität der resultierenden TLP-Bindungsschicht 130' zu erhöhen, was dabei in einer weniger spröden bzw. brüchigen Bindung zwischen dem Metallsubstrat 110 und den Halbleitervorrichtungen 120 resultiert. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Duktilität“ auf die plastische Verformung eines Materials vor dem Versagen, d.h., ein Maß für die Fähigkeit des Materials, sich plastisch zu verformen, ohne zu Versagen, wenn eine Kraft auf das Material angewandt wird. Die zweiten HMT-Partikel 134 können ausgewählt werden, um eine thermische Expansion der TLP-Bindungsschicht 130' während des Betriebs des Leistungselektronikbauteils 100 zu verringern und/oder eine TLP-Sinterungszeit zur Ausbildung der TLP-Bindungsschicht 130' zu verringern. Zum Beispiel stabilisiert die Anwesenheit von Ni im Cu-Sn-System das Cu im intermetallischen Cu₆Sn₅, wie (Cu,Ni)₆Sn₅. Insbesondere weist das binäre intermetallische Cu₆Sn₅ eine allotrope Transformation bzw. Umwandlung von einer monoklinen Kristallstruktur zu einer hexagonalen Kristallstruktur mit einer Volumenexpansion von ungefähr 2% bei ungefähr 186 °C auf, wobei das ternäre intermetallische (Cu,Ni)₆Sn₅ eine hexagonale Kristallstruktur bis runter zu Raumtemperatur aufweist. Dementsprechend gibt es keine Volumenexpansion zusammen mit einer Änderung der Kristallstruktur für das ternäre, intermetallische (Cu, Ni)₆Sn₅ beim Erwärmen auf höhere Temperaturen. Ebenso erhöht die Anwesenheit von Ni die Wachstumskinetik der TLP-Intermetallverbindungsschicht, wodurch die Zeit für die TLP-Sinterung, um die TLP-Bindungsschicht 130' auszubilden, welche die Halbleitervorrichtungen 120 an das Metallsubstrat 110 bindet, verringert wird. Insbesondere wird die Diffusion innerhalb des ternären, intermetallischen (Cu, Ni)₆Sn₅ (Diffusionsrate = 202,5 × 10^-19 m²/s bei 150 °C) ungefähr 11-mal schneller als innerhalb des binären, intermetallischen Cu₆Sn₅ (Diffusionsrate = 17,69 x 10^-19 m²/s bei 150 °C). Dementsprechend können die Wachstumskinetik und somit die TLP-Sinterungszeit für die TLP-Bindungsschicht 130' deutlich schneller sein als für eine TLP-Verbindungsschicht 131, welche die zweiten HMT-Partikel 134 umfasst.
Die hier beschriebenen TLP-Zusammensetzungen 130 können in Leistungselektronikanwendungen (z.B. um eine Leistungshalbleitervorrichtung an eine Kühleinheit in einer Inverterschaltung eines Hybrid- oder elektrischen Fahrzeuges zu binden) hilfreich sein, da sie eine hohe Betriebstemperatur (z.B., höher als 450 °C) aufweisen und eine Duktilität (d.h., Weichheit) vergleichbar mit traditionellen Zinn-basierten Lötmetall aufweisen. Ebenso kann die hier beschriebene TLP-Zusammensetzung 130 die Zeit bei einer TLP-Sinterungstemperatur verringern, welche benötigt wird, um die TLP-Bindungsschicht 130' auszubilden, wodurch die Zeit verringert wird, in der die Halbleitervorrichtungen 120 der TLP-Sinterungstemperatur ausgesetzt sind.
In einem nicht-beschränkenden Beispiel umfassen die ersten HMT-Partikel 132 einen aus Al gebildeten Kern 132c und eine aus Ni gebildete Schale 132s, die zweiten HMT-Partikel 134 sind aus Cu gebildet, und die LMT-Partikel 136 sind aus Sn gebildet. In einem anderen nicht-beschränkenden Beispiel umfassen die ersten HMT-Partikel 132 einen aus Cu gebildeten Kern 132c, eine aus Ni gebildete Schale 132s, die zweiten HMT-Partikel 134 sind aus Cu gebildet, und die LMT-Partikel 136 sind aus Sn gebildet. In noch einem anderen nicht-beschränkenden Beispiel umfassen die ersten HMT-Partikel 132 einen aus Al gebildeten Kern 132c und eine aus Cu gebildete Schale 132s, die zweiten HMT-Partikel 134 sind aus Ni gebildet, und die LMT-Partikel 136 sind aus Sn gebildet.
Die Konzentration der LMT-Partikel 136 in der TLP-Zusammensetzung 130 kann ausgewählt werden, um eine TLP-Bindungsschicht 130' mit den gewünschten mechanischen Eigenschaften sowie einer gewünschten Temperatur des Wiederschmelzens der intermetallischen Verbindung nach dem ursprünglichen Schmelzprozess zu erreichen. Die gewünschte Konzentration der LMT-Partikel 136 kann jeweils durch Auswählen des Durchmessers und der Dicke des Kerns 132c und der Schale 132s der ersten HMT-Partikel 132, des Durchmessers der zweiten HMT-Partikel 134, und/oder des Durchmessers der LMT-Partikel 136 erreicht werden. Insbesondere und bezugnehmend auf die 2A bis 2C, weist der Kern 132c der ersten HMT-Partikel 132 einen mittleren Durchmesser „d1“ auf und die Schale 132s weist eine Dicke „t“ auf. Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff „Durchmesser“ ein Mittelwert von mindestens drei Messungen des Durchmessers für einen gegebenen Partikel, und der Begriff „mittlerer Durchmesser“ bezeichnet die Summe der Partikeldurchmesser für eine gegebene Anzahl an Partikel geteilt durch die Anzahl an Partikel. Die zweiten HMT-Partikel 134 weisen einen mittleren Durchmesser „d2“ auf, und die LMT-Partikel 136 weisen einen mittleren Durchmesser „d3“ auf. Die mittleren Durchmesser d1, d2, und d3, und die Dicke t können gewählt werden, um die gewünschte Konzentration an LMT-Partikeln 136 in der TLP-Zusammensetzung 130 zu erhalten. Ebenso können die Durchmesser d1, d2, d3 und die Dicke t jede gewünschte Dimension aufweisen. In den Ausführungsformen ist die Konzentration der LMT-Partikel 136, d.h., die Konzentration von Sn in der TLP-Zusammensetzung 130, zwischen 10 Gewichtsprozent (Gew.-%) und 75 Gew.-%. Zum Beispiel kann die Konzentration der LMT-Partikel 136 in der TLP-Zusammensetzung 130 zwischen 25 Gew.-% und 75 Gew.-% sein. In einigen Ausführungsformen ist die Konzentration der LMT-Partikel 136 in der TLP-Zusammensetzung 130 zwischen 25 Gew.-% und 50 Gew.-%. Es sollte verstanden werden, dass andere dimensionale Eigenschaften verwendet werden können, um die gewünschten Konzentration der LMT-Partikel 136 in der TLP-Zusammensetzung 130 zu erreichen. Zum Beispiel können die ersten HMT-Partikel 132, die zweiten HMT-Partikel 134 und die LMT-Partikel 136 längliche Partikel (d.h., nicht allgemein sphärisch) sein, und eine maximale Dimension (d.h. Länge) und/oder ein Abbildungsverhältnis bzw. Aspektverhältnis derartiger länglicher Partikel kann bzw. können gewählt werden, um die gewünschte Konzentration der LMT-Partikel 136 in der TLP-Zusammensetzung 130 zu erreichen.
Nun bezugnehmend auf 3 wird eine Explosionsansicht des Bereiches, welcher durch einen Kasten 150 in 1 gekennzeichnet ist, vor der Bindung der Halbleitervorrichtungen 120 auf das Metallsubstrat 110 schematisch dargestellt. In den Ausführungsformen wird die Halbleitervorrichtung 120 an das Metallsubstrat 110 durch eine TLP-Verbindungsschicht 131, welche aus der TLP-Zusammensetzung 130 gebildet wurde, TLP-gebunden. In derartigen Ausführungsformen kann das Metallsubstrat 110 eine Verbindungsschicht 112 umfassen, und die Halbleitervorrichtung 120 kann eine Verbindungsschicht 122 umfassen. Die TLP-Verbindungsschicht 131 kann dazwischen und in direktem Kontakt mit den Verbindungsschichten 112, 122 angeordnet sein. Die TLP-Verbindungsschicht 131 umfasst die Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln 132, die Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln 134, und die Mehrzahl an LMT-Partikeln 136. In den Ausführungsformen sind die Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln 132, die Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln 134, und die Mehrzahl an LMT-Partikeln 136 innerhalb des Bindemittels 139 enthalten. Das Bindemittel 139 kann ein anorganisches Bindemittel, ein organisches Bindemittel, oder eine Kombination von anorganischem Bindemittel und organischem Bindemittel sein.
Der Kern 132c der ersten HMT-Partikel 132 kann einen mittleren Durchmesser d1 zwischen ungefähr 5 Mikrometer (µm) und ungefähr 400 µm aufweisen. Zum Beispiel kann der Kern 132c einen mittleren Durchmesser d1 größer als 5 µm, größer als 10 µm, größer als 15 µm, größer als 20 µm, größer als 25 µm, größer als 35 µm, größer als 50 µm, größer als 75 µm, größer als 100 µm, oder größer als 150 µm, und weniger als 400 µm, weniger als 300 µm, weniger als 250 µm, weniger als 200 µm, weniger als 150 µm, oder weniger als 100 µm aufweisen. In den Ausführungsformen weist der Kern 132c einen mittleren Durchmesser d1 zwischen ungefähr 10 µm und ungefähr 150 µm auf. Zum Beispiel kann der Kern 132c einen mittleren Durchmesser d1 zwischen ungefähr 10 µm und ungefähr 100 µm aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann der Kern 132c einen mittleren Durchmesser d1 zwischen ungefähr 10 µm und 50 µm aufweisen. Die Dicke t der Schale 132s kann zwischen ungefähr 0,2 µm und ungefähr 20 µm sein. Zum Beispiel kann die Dicke t der Schale 132s größer als 0,2 µm, größer als 0,5 µm, größer als 1,0 µm, größer als 2,5 µm, größer als 5,0 µm, größer als 10 µm, oder größer als 15 µm, und weniger als 20 µm, weniger als 17,5 µm, weniger als 15 µm, weniger als 10 µm, oder weniger als 7,5 µm sein. In Ausführungsformen ist die Dicke t der Schale 132s zwischen ungefähr 0,5 µm und 20 µm. In Ausführungsformen kann die Dicke t der Schale 132s zwischen 0,5 µm und 15 µm sein.
Der mittlere Durchmesser d2 der zweiten HMT-Partikel 134 kann zwischen ungefähr 5 µm und ungefähr 400 µm sein. Zum Beispiel kann der mittlere Durchmesser d2 größer als 5 µm, größer als 10 µm, größer als 15 µm, größer als 20 µm, größer als 25 µm, größer als 35 µm, größer als 50 µm, größer als 75 µm, größer als 100 µm, oder größer als 150 µm, und weniger als 400 µm, weniger als 300 µm, weniger als 250 µm, weniger als 200 µm, weniger als 150 µm, oder weniger als 100 µm sein. In den Ausführungsformen weisen die zweiten HMT-Partikel 134 einen mittleren Durchmesser d2 zwischen ungefähr 5 µm und ungefähr 150 µm auf. Zum Beispiel können die zweiten HMT-Partikel 134 einen mittleren Durchmesser d2 zwischen ungefähr 5 µm und 100 µm aufweisen. In einigen Ausführungsformen können die zweiten HMT-Partikel 134 einen mittleren Durchmesser d2 zwischen ungefähr 5 µm und 50 µm aufweisen.
Der mittlere Durchmesser d3 der LMT-Partikel 136 kann zwischen ungefähr 5 µm und ungefähr 200 µm sein. Zum Beispiel kann der mittlere Durchmesser d3 größer als 5 µm, größer als 10 µm, größer als 15 µm, größer als 20 µm, größer als 25 µm, größer als 50 µm, größer als 75 µm, größer als 100 µm, oder größer als 150 µm, und kleiner als 200 µm, kleiner als 150 µm, kleiner als 100 µm, oder kleiner als 75 µm sein. In den Ausführungsformen weisen die LMT-Partikel 136 einen mittleren Durchmesser d3 zwischen ungefähr 10 µm und 150 µm auf. Zum Beispiel können die LMT-Partikel 136 einen mittleren Durchmesser d3 zwischen ungefähr 15 µm und 100 µm aufweisen. In einigen Ausführungsformen könnend die LMT-Partikel 136 einen mittleren Durchmesser d3 zwischen ungefähr 25 µm und 75 µm aufweisen.
Die TLP-Sinterungstemperatur für die TLP-Verbindungsschicht 131 kann zwischen ungefähr 200 °C und ungefähr 400 °C sein. Als ein nicht-beschränkendes Beispiel ist die TLP-Sinterungstemperatur zwischen ungefähr 280 °C und ungefähr 350 °C, und die LMT-Partikel 136 weisen einen Schmelzpunkt von weniger als ungefähr 280 °C auf, und der Kern 132c und Schale 132s der ersten HMT-Partikel 132 und der zweiten HMT-Partikel 134 weisen Schmelzpunkte von höher als 350 °C auf. Zum Beispiel können die LMT-Partikel 134 aus Sn mit einem Schmelzpunkt von ungefähr 232 °C gebildet sein, wobei der Kern 132c und die Schale 132s der ersten HMT-Partikel 132, und der zweiten HMT-Partikel 134 aus Materialien wie Cu, Al, Silber (Ag), Zink (Zn) und Magnesium (Mg) mit einem Schmelzpunkt von jeweils ungefähr 1085 °C, 660 °C, 962 °C, 420 °C und 650 °C gebildet sein können. Dementsprechend schmelzen die LMT-Partikel 136 zumindest teilweise und der Kern 132c und die Schale 132s der ersten HMT-Partikel 132, und die zweiten HMT-Partikel 134 schmelzen nicht während der TLP-Sinterung der TLP-Verbindungsschicht 131.
Insbesondere und nun bezugnehmend auf 4, wird eine Explosionsansicht des Bereiches, welcher durch den Kasten 150 in 1 gekennzeichnet ist, nach dem Binden der Halbleitervorrichtungen 120 durch die TLP-Bindungsschicht 130' an das Metallsubstrat 110 schematisch dargestellt. Die TLP-Bindungsschicht 130' ist aus den LMT-Partikeln 136, welche zumindest teilweise schmelzen und eine intermetallische Matrix 136' bilden, gebildet. In den Ausführungsformen kann die intermetallische Matrix 136' in Form einer intermetallischen Schicht sein. Die intermetallische Matrix 136' ist zwischen den individuellen ersten HMT-Partikeln 132, zwischen den individuellen zweiten HMT-Partikeln 134, und zwischen benachbarten ersten HMT-Partikeln 132 ausgebildet. Außerdem schmelzen die LMT-Partikel 136 zumindest teilweise und diffundieren in die Verbindungsschichten 112, 122, um jeweils intermetallische Schichten 112a, 122a zu bilden, jeweils zwischen dem Metallsubstrat 110 und der TLP-Bindungsschicht 130' und den Halbleitervorrichtungen 120 und der TLP-Bindungsschicht 130'. Obwohl die in 4 dargestellten Verbindungsschichten 112, 122 nicht vollständig jeweils durch die intermetallischen Schichten 112a, 122a verbraucht wurden, können in den Ausführungsformen die intermetallischen Bindungsschichten 112a und/oder 122a die Verbindungsschichten 112 und/oder 122 vollständig verbrauchen, d.h., es kann nur eine einzelne Schicht der intermetallischen Schichten 112a und/oder 122a vorliegen, nachdem die TLP-Bindungsschicht 130' gebildet wird. In anderen Ausführungsformen können die TLP-Intermetall-Bindungsschichten 112a und/oder 122a keine Schichten enthalten, d.h., alle Verbindungsschichten 112 und/oder 122 diffundieren in die TLP-Bindungsschicht 130 up', in das Metallsubstrat 110 und/oder in die Halbleitervorrichtung 120, was darin resultiert, dass eine klar definierte TLP-Intermetall-Bindungsschicht 112a und/oder 122a nicht vorliegt.
Während 4 die Größe (Kern 132c plus Schale 132s) der ersten HMT-Partikel 132, welche allgemein einheitlich sind, schematisch darstellt, sind Ausführungsformen enthalten, in denen die Größe der ersten HMT-Partikel 132 innerhalb einer TLP-Bindungsschicht 131 und einer TLP-Bindungsschicht 130' nicht allgemein einheitlich sind. Insbesondere stellen die 5 und 6 jeweils eine TLP-Verbindungsschicht 131 und eine TLP-Bindungsschicht 130' schematisch dar, die ersten HMT-Partikel 132 weisen einen gestuften mittleren Durchmesser entlang der Dicke der TLP-Verbindungsschicht 131 und die TLP-Bindungsschicht 130' auf. Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff „gestuft“ eine Änderung als eine Funktion des Abstandes. Außerdem sollte verstanden werden, dass der mittlere Durchmesser einer Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln 132 einem mittleren Durchmesser d1 der Kerne 132c plus zweimal der mittleren Dicke (2·t) der Schalen 132s für die Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln 132 entspricht. Insbesondere bezugnehmend auf 5 umfasst die TLP-Bindungsschicht 131 eine erste Schicht 131A, wobei die ersten HMT-Partikel 132 einen ersten mittleren Durchmesser (hier als erste HMT-Partikel 132A bezeichnet) aufweisen, eine zweite Schicht 131B, in welcher die ersten HMT-Partikel 132 einen zweiten mittleren Durchmesser aufweisen, welcher geringer ist als der erste mittlere Durchmesser (hier als erste HMT-Partikel 132B bezeichnet), und eine dritte Schicht 131C, wobei die ersten HMT-Partikel 132 einen dritten mittleren Durchmesser aufweisen, welcher geringer ist als der zweite mittlere Durchmesser (hier als erste HMT-Partikel 132C bezeichnet). Als ein nicht-beschränkendes Beispiel kann der erste mittlere Durchmesser der ersten HMT-Partikel 132A zwischen ungefähr 100 µm und 200 µm betragen, der zweite mittlere Durchmesser der ersten HMT-Partikel 132B kann zwischen ungefähr 75 µm und 150 µm betragen, und der dritte mittlere Durchmesser der ersten HMT-Partikel 132C kann zwischen 50 µm und 100 µm betragen. Dementsprechend umfasst die in 5 dargestellte TLP-Verbindungsschicht 131 erste HMT-Partikel 132 mit einem gestuften mittleren Durchmesser entlang der Dicke (Y-Richtung) der TLP-Verbindungsschicht 131.
Nun bezugnehmend auf 6 ist die TLP-Bindungsschicht 130' die aus der TLP-Verbindungsschicht 131 gebildet und dadurch bindet das TLP die Halbleitervorrichtungen 120 an das Metallsubstrat 110. Wie vorstehend mit Bezug zu den 3 und 4 diskutiert, ist die TLP-Bindungsschicht 130' aus den LMT-Partikeln 136 gebildet, welche zumindest teilweise schmelzen und eine intermetallische Matrix 136' bilden. In den Ausführungsformen kann die intermetallische Matrix 136' in der Form einer intermetallischen Schicht sein. Die intermetallische Schicht 136' wird zwischen individuellen ersten HMT-Partikeln 132, zwischen individuellen zweiten HMT-Partikeln 134, und zwischen benachbarten ersten HMT-Partikeln 132 gebildet. Außerdem schmelzen die LMT-Partikel 136 zumindest teilweise und diffundieren in die Verbindungsschichten 112, 122, um jeweils intermetallische Schichten 112a, 122a zwischen jeweils dem Metallsubstrat 110 und der TLP-Bindungsschicht 130' und den Halbleitervorrichtungen 120 und der TLP-Bindungsschicht 130' zu bilden. Obwohl die in 6 dargestellten Verbindungsschichten 112, 122 durch die jeweiligen intermetallischen Schichten 112a, 122a nicht vollständig verbrauchen, können in den Ausführungsformen die intermetallischen Bindungsschichten 112a und/oder 122a die Verbindungsschichten 112 und/oder 122 vollständig verbraucht werden, d.h., nur eine einzelne Schicht der intermetallischen Schichten 112a und/oder 122a kann vorliegen, nachdem der TLP-Bindungsschicht 130' gebildet wurde. In anderen Ausführungsformen können die TLP-Intermetall-Bindungsschichten 112a und/oder 122a keine Schichten umfassen, d.h., alle Verbindungsschichten 112 und/oder 122 diffundieren in die TLP-Bindungsschicht 130up', das Metallsubstrat 110 und/oder die Halbleitervorrichtung 120, was darin resultiert, dass eine klar definierte TLP-Intermetall-Bindungsschicht 112a und/oder 122a nicht vorliegt.
Noch bezugnehmend auf 6 sollte es verstanden werden, dass der gestufte mittlere Durchmesser der ersten HMT-Partikel 132 entlang der Dicke der TLP-Bindungsschicht 130' eine gestufte Steifigkeit entlang der Dicke der TLP-Bindungsschicht 130' bereitstellen kann. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der gestufte mittlere Durchmesser der ersten HMT-Partikel 132 entlang der Dicke der TLP-Bindungsschicht 130' eine gestufte Duktilität entlang der Dicke der TLP-Bindungsschicht 130' bereitstellen. Es sollte verstanden werden, dass eine gestufte Steifigkeit und/oder eine Duktilität entlang der Dicke der (Y-Richtung) der TLP-Verbindungsschicht 130' thermisch induzierte Spannungen, z.B., thermische Kühlspannungen zwischen dem Metallsubstrat 110 und den Halbleitervorrichtungen 120, welche aus der Herstellung (z.B., TLP-Sinterung) und den Betriebsbedingungen (z.B., transiente elektrische Ladungen bewirken hohe Änderungen in der Temperatur) des Leistungselektronikbauteils 100 resultieren, ausgleichen kann bzw. können.
Die TLP-Verbindungsschicht 131 mit ersten HMT-Partikeln 132, welche gestufte mittlere Durchmesser entlang der Dicke der TLP-Verbindungsschicht 131 aufweisen, kann unter Verwendung von bekannten oder noch zu entwickelnden Techniken ausgebildet sein, welche mehrere Schichten der TLP-Zusammensetzungen mit ersten HMT-Partikeln 132 mit unterschiedlichen mittleren Durchmessern anordnen oder ablegen. Ein nicht-beschränkendes Beispiel umfasst zusätzliches Herstellen (3D-Druck), d.h., eine erste Schicht 131A, welche die ersten HMT-Partikel 132A enthält, wird auf das Metallsubstrat 110 abgelagert (3D-Druck), eine zweite Schicht 131B, welche die ersten HMT-Partikel 132B enthält, wird auf die erste Schicht 131A abgelagert und anschließend wird eine dritte Schicht 131C, welche die ersten HMT-Partikel 132C enthält, wird auf die zweite Schicht 131B abgelagert. Ein anderes nicht-beschränkendes Beispiel umfasst das Anordnen einer ersten dünnen Folie, welche aus dem LMT-Material (nicht gezeigt) mit den ersten HMT-Partikel 132A und den daran beigefügten bzw. anhaftenden zweiten HMT-Partikel 134 gebildet ist, auf dem Metallsubstrat 110, anschließendes Anordnen einer zweiten dünnen Folie, welche aus dem LMT-Material (nicht gezeigt) mit den ersten HMT-Partikeln 132B und den daran beigefügten zweiten HMT-Partikeln 134 gebildet wird, auf der ersten dünnen Folie, und anschließendes Anordnen einer dritten Folie, welche aus dem LMT-Material (nicht gezeigt) mit den ersten HMT-Partikeln 132C und den daran beigefügten zweiten HMT-Partikeln 134 gebildet ist, auf der zweiten dünnen Folie. Es sollte verstanden werden, dass die Anordnung der ersten Schicht 131A, der zweiten Schicht 131B und der dritten Schicht 131C anders als in den 5 und 6 dargestellt sein kann. Das heißt, die TLP-Verbindungsschicht 131 kann aus jeder Kombination von Schichten mit ersten HMT-Partikeln 132 mit unterschiedlichen mittleren Durchmessern gebildet sein, so dass die Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln 132 einen gestuften mittleren Durchmesser entlang einer Dicke der TLP-Verbindungsschicht 131 aufweist. Zum Beispiel und ohne Beschränkung kann die TLP-Verbindungsschicht 131 eine erste Schicht 131A umfassen, welche zwischen einem Paar von zweiten Schichten 131B angeordnet ist, eine erste Schicht 131A, welche zwischen einem Paar an dritten Schichten 131C angeordnet ist, eine zweite Schicht 131B, welche zwischen einem Paar an ersten Schichten 131A angeordnet ist, eine zweite Schicht 131B, welche zwischen einem Paar an dritten Schichten 131C angeordnet ist, eine dritte Schicht 131C, welche zwischen einem Paar an ersten Schichten 131A angeordnet ist, eine dritte Schicht 131C, welche zwischen einem Paar an zweiten Schichten 131B angeordnet ist, oder ähnlichem. Es sollte ebenso verstanden werden, dass die TLP-Verbindungsschicht 131 und die TLP-Bindungsschicht 130' weniger als drei Schichten oder mehr als drei Schichten umfassen können, und die Dicken der Schichten, z.B., die Dicken der ersten Schicht 131A, der zweiten Schicht 131B und der dritten Schicht 131C, gleich sein kann, oder alternativ nicht gleich sein muss.
Nun bezugnehmend auf die 7 und 8, ist jeweils eine weitere bzw. andere Ausführungsform der TLP-Verbindungsschicht 131 und TLP-Bindungsschicht 130', in welcher eine gestufte Dichte der ersten HMT-Partikel 132 entlang einer Dicke der TLP-Verbindungsschicht 131 vorhanden ist, dargestellt. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Dichte“ auf die Anzahl an Partikel innerhalb einer gegebenen Schicht der TLP-Verbindungsschicht 131 oder TLP-Bindungsschicht 130'. Insbesondere bezugnehmend auf 7 umfasst die TLP-Verbindungsschicht 131 eine erste Schicht 131HD mit einer ersten Anzahl an ersten HMT-Partikeln 132, und eine zweite Schicht 131LD mit einer zweiten Anzahl an ersten HMT-Partikeln 132. Die zweite Anzahl an ersten HMT-Partikeln 132 innerhalb der zweiten Schicht 131LD ist geringer als die erste Anzahl an ersten HMT-Partikeln 132 innerhalb der ersten Schicht 131HD. Dementsprechend weist die erste Schicht 131HD eine höhere Dichte der ersten HMT-Partikel 132 als die zweite Schicht 131LD auf, und die TLP-Verbindungsschicht 131 weist eine gestufte Dichte der ersten HMT-Partikel 132 entlang einer Dicke (Y-Richtung) der TLP-Verbindungsschicht 131 auf.
Bezugnehmend auf 8 wird die TLP-Bindungsschicht 130', welche aus der TLP-Verbindungsschicht 131 gebildet wird und dadurch die Halbleitervorrichtungen 120 an das Metallsubstrat 110 TLP-bindet, dargestellt. Wie vorstehend mit Bezug zu den 3 und 4 diskutiert, wird die TLP-Bindungsschicht 130' aus den LMT-Partikeln 136 gebildet, welche zumindest teilweise schmelzen und eine intermetallische Matrix 136' ausbilden. In den Ausführungsformen kann die intermetallische Matrix 136' in der Form einer intermetallischen Schicht sein. Die intermetallische Matrix 136' ist zwischen individuellen ersten HMT-Partikeln 132, zwischen individuellen zweiten HMT-Partikeln 134, und zwischen benachbarten ersten HMT-Partikeln 132 ausgebildet. Außerdem schmelzen die LMT-Partikel 136 zumindest teilweise und diffundieren in die Verbindungsschichten 112, 122, um jeweils intermetallische Schichten 112a, 122a zwischen jeweils dem Metallsubstrat 110 und der TLP-Bindungsschicht 130', und der Halbleitervorrichtungen 120 und der TLP-Bindungsschicht 130' auszubilden. Obwohl die in 8 dargestellten Verbindungsschichten 112, 122 durch jeweils die intermetallischen Schichten 112a, 122a nicht vollständig verbraucht wurden, können in den Ausführungsformen die intermetallischen Bindungsschichten 112a und/oder 122a die Verbindungsschichten 112 und/oder 122 vollständig verbraucht werden, d.h. es kann sein, dass nur eine einzelne Schicht der intermetallischen Schichten 112a und/oder 122a vorliegt, nachdem die TLP-Bindungsschicht 130' gebildet ist. In anderen Ausführungsformen kann es sein, dass die TLP-Intermetall-Bindungsschicht 112a und/oder 122a keine Schichten umfassen, d.h., alle Verbindungsschichten 112 und/oder 122 diffundieren in die TLP-Bindungsschicht 130up', das Metallsubstrat 110 und/oder die Halbleitervorrichtung 120, was daraus resultiert, dass eine klar definierte TLP-Intermetall-Bindungsschicht 112a und/oder 122a nicht vorliegt.
Noch bezugnehmend auf 8 sollte es verstanden werden, dass die gestufte Dichte der ersten HMT-Partikel 132 entlang der Dicke der TLP-Bindungsschicht 130' eine gestufte Steifigkeit entlang der Dicke der TLP-Bindungsschicht 130' bereitstellen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die gestufte Dichte der ersten HMT-Partikel 132 entlang der Dicke der TLP-Bindungsschicht 130' eine gestufte Duktilität entlang der Dicke der TLP-Bindungsschicht 130' bereitstellen.
Die TLP-Verbindungsschicht 131 mit einer gestuften Dichte der ersten HMT-Partikel 132 entlang der Dicke der TLP-Verbindungsschicht 131 kann unter Verwendung von bekannten oder noch zu entwickelnden Techniken, welche mehrere Schichten der TLP-Zusammensetzungen mit unterschiedlichen Mengen an ersten HMT-Partikeln 132 anordnen oder ablegen, ausgebildet sein. Ein nicht-beschränkendes Beispiel umfasst zusätzliches Herstellen (3D-Druck), d.h. eine erste Schicht 131HD, welche eine erste Dichte an ersten HMT-Partikel 132 enthält, wird auf das Metallsubstrat 110 abgelagert und anschließend wird eine zweite Schicht 131LD, welche eine zweite Dichte von ersten HMT-Partikel 132 enthält, auf die erste Schicht 131HD abgelagert. Ein weiteres bzw. anderes nicht-beschränkendes Beispiel umfasst das Anordnen einer ersten dünnen Folie, welche aus dem LMT-Material (nicht gezeigt) mit der ersten Dichte an ersten HMT-Partikeln 132 und den daran beigefügten zweiten HMT-Partikeln 134 auf dem Metallsubstrat 110 gebildet ist, anschließendes Anordnen einer zweiten dünnen Folie, welche aus dem LMT-Material (nicht gezeigt) mit den ersten HMT-Partikeln 132 und den daran beigefügten zweiten HMT-Partikeln 134 auf die erste dünne Folie gebildet wird. Es sollte verstanden werden, dass die TLP-Verbindungsschicht 131 mehr als zwei Schichten aufweisen kann. Und die Anordnung der ersten Schicht 131HD und der zweiten Schicht 131LD kann verschieden sein, wie es in den 7 und 8 hervorgeht. Das heißt, die TLP-Verbindungsschicht 131 kann aus jeder Kombination der Schichten mit unterschiedlichen Dichten der ersten HMT-Partikeln 132 gebildet werden, sodass die gestufte Dichte der ersten HMT-Partikel 132 entlang einer Dicke der TLP-Verbindungsschicht 131 vorliegt. Es sollte ebenso verstanden werden, dass die Dicken der Schichten, z.B. die Dicken der ersten Schicht 131HD und der zweiten Schicht 131LD, gleich sein können, oder alternativ nicht gleich sein müssen.
Die hier beschriebenen TLP-Bindungsschichten 130' gleichen thermisch induzierte Spannungen, d.h. thermische Kühlspannungen, welche aus der Herstellung (d.h. TLP-Sinterung) und Betriebsbedingungen (z.B. transiente elektrische Ladungen bewirken hohe Änderungen in der Temperatur) resultieren, aus. Da das Metallsubstrat 110 und die Halbleitervorrichtungen 120 des Leistungselektronikbauteils 100 aus unterschiedlichen Materialien gemacht sind, bewirken die Unterschiede in der CTE für jedes Material große thermisch induzierte Spannungen innerhalb des Metallsubstrats 110, der Halbleitervorrichtungen 120 und der TLP-Bindungsschicht 130'. Es sollte verstanden werden, dass die großen thermisch induzierten Spannungen in einem Versagen des Leistungselektronikbauteils 100 aufgrund vom Bruch des Metallsubstrats 100 oder Versagen eines traditionellen TLP-Bindematerials (d.h. Schichtablösung) zwischen dem Metallsubstrat 110 und einer oder beiden Halbleitervorrichtungen 120 resultieren können.
Die Verwendung der TLP-Bindungsschicht 130', um das Metallsubstrat 110 an die Halbleitervorrichtungen 120 zu TLP-binden, mildert oder schwächt derartige Spannungen ab. Das heißt, die hier beschriebene TLP-Bindungsschicht 130' gleicht die thermische Ausdehnung und das Zusammenziehen aus, welche von dem Metallsubstrat 110 und den Halbleitervorrichtungen 120 erfahren werden. In einigen Ausführungsformen gleicht die hier beschriebene TLP-Bindungsschicht 130' die thermische Ausdehnung und das Zusammenziehen, welche von dem Metallsubstrat 110 und den Halbleitervorrichtungen 120 erfahren werden, mit der Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln 132, welche lokalisierte Variation der Steifigkeit und/oder Duktilität zwischen dem Metallsubstrat 110 und den Halbleitervorrichtungen 120 bereitstellen, aus. In anderen Ausführungsformen gleicht die hier beschriebene TLP-Bindungsschicht 130' die thermische Ausdehnung und das Zusammenziehen, welche von dem Metallsubstrat 110 und den Halbleitervorrichtungen 120 erfahren werden, mit der TLP-Bindungsschicht 130' aus, welche eine durch einen gestuften mittleren Durchmesser der ersten HMT-Partikel 132 entlang der Dicke (Y-Richtung) der TLP-Bindungsschicht 130' bereitgestellte, gestufte Steifigkeit und/oder Duktilität aufweist. In noch anderen Ausführungsformen gleicht die hier beschriebene TLP-Bindungsschicht 130' die thermische Ausdehnung und das Zusammenziehen, welche von dem Metallsubstrat 110 und den Halbleitervorrichtungen 120 erfahren werden, mit der TLP-Bindungsschicht 130' aus, welche eine durch eine gestufte Dichte der ersten HMT-Partikel 132 entlang der Dicke der TLP-Bindungsschicht 130' bereitgestellte gestufte Steifigkeit und/oder Duktilität aufweist. Die TLP-Bindungsschicht 130' mit der Variation der lokalisierten Steifigkeit und/oder Duktilität oder der gestuften Steifigkeit und/oder Duktilität entlang seiner Dicke erlaubt der TLP-Bindungsschicht 130' aufgrund der CTE-Diskrepanz zwischen dem Metallsubstrat 110 und den Halbleitervorrichtungen 120, sich plastisch zu verformen und nicht Schichten abzulösen. Ebenso stellt die TLP-Bindungsschicht 130' ausreichende Steifigkeit bereit, sodass die Halbleitervorrichtungen 120 angemessen auf dem Metallsubstrat 110 für anschließende Herstellungsschritte, welche auf den Halbleitervorrichtungen 120 ausgeführt werden, abgesichert ist. Die TLP-Bindungsschicht 130' stellt ebenso eine ausreichend hohe Temperaturbindungsstärke zwischen dem Metallsubstrat 110 und den Halbleitervorrichtungen 120 bereit, während sich die Betriebstemperaturen 200 °C annähern und möglicherweise übersteigen.
Im Allgemeinen umfasst die TLP-Bindungsschicht 130' eine flache, dünne Schicht („layer date“). Als nicht-beschränkende Beispiele kann die Dicke der TLP-Bindungsschichten 130' zwischen ungefähr 25 Mikrometer (µm) und ungefähr 200 µm sein. In den Ausführungsformen weist die TLP-Bindungsschicht 130' eine Dicke zwischen ungefähr 50 µm und ungefähr 150 µm auf. In anderen Ausführungsformen weist die TLP-Bindungsschicht 130' eine Dicke zwischen ungefähr 75 µm und 125 µm, zum Beispiel eine Dicke von 100 µm, auf.
Wie vorstehend angegeben, können die hier beschriebenen Metallsubstrate und Leistungselektronikbauteile in eine Inverterschaltung oder ein System eingesetzt bzw. eingebaut sein, welches elektrische Gleichstrom-Leistung in elektrische Wechselstrom-Leistung und umgekehrt, abhängig von der bestimmten Anwendung, umwandelt. Zum Beispiel können in einer hybrid-elektrischen Fahrzeuganwendung, wie in 8 dargestellt, verschiede Leistungselektronikbauteile 100a bis 100f elektrisch zusammen gekoppelt werden, um eine Antriebsschaltung zu bilden, welche elektrische Gleichstrom-Leistung, welche durch eine Bank an Batterien 164 bereitgestellt wird, in elektrische Wechselstrom-Leistung, welche verwendet wird, um einen an den Rädern 168 eines Fahrzeuges 160 gekoppelten elektrischen Motor 166 anzusteuern, umwandelt, um das Fahrzeug 160 unter Verwendung von elektrischer Leistung anzutreiben. Die in der Antriebsschaltung verwendeten Leistungselektronikbauteile 100a bis 100f können außerdem verwendet werden, um elektrische Wechselstrom-Leistung, welche aus der Verwendung des elektrischen Motors 166 und regeneratives Rückbremsen resultiert, in elektrische Gleichstrom-Leistung zur Speicherung in der Bank an Batterien 164, umzuwandeln.
In derartigen Fahrzeuganwendungen verwendeten Leistungshalbleitervorrichtungen können eine deutliche Menge an Wärme während des Betriebes erzeugen, was Bindungen zwischen den Halbleitervorrichtungen und Metallsubstraten erfordert, welche höheren Temperaturen und thermisch induzierten Spannungen aufgrund von CTE-Diskrepanz standhalten können. Die hier beschriebenen und dargestellten Kompensationsschichten für thermische Spannungen können die thermisch induzierten Spannungen ausgleichen, welche während der thermischen Bindung der Halbleitervorrichtungen an das Metallsubstrat und/oder Betrieb der Leistungshalbleitervorrichtungen mit einer konstanten oder gestuften Steifigkeit über die Dicke der Kompensationsschichten für thermische Spannung erzeugt werden, während außerdem ein kompaktes Verpackungsdesign bereitgestellt wird.
Es sollte nun verstanden werden, dass die in die hier beschriebenen Leistungselektronikbauteile und Fahrzeuge eingesetzten bzw. eingebauten Mehrlagenkomposite verwendet werden können, um thermisch induzierte Spannungen aufgrund von CTE-Diskrepanz auszugleichen, ohne zusätzliche Grenzflächenschichten zu benötigen, welche dabei ein kompakteres Verpackungsdesign mit verringerten thermischen Widerstand bereitstellen.
Es wird angemerkt, dass die Begriffe „ungefähr“ und „allgemein“ hier verwendet werden können, um den anhaftenden Grad an Ungewissheit darzustellen, welcher jedem quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder andere Darstellung zugeschrieben werden kann. Dieser Begriff wird hier außerdem verwendet, um den Grad darzustellen, durch welchen eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne in einer Änderung der Basisfunktion des betreffenden Gegenstandes zu resultieren.
Während besondere Ausführungsformen hier dargestellt und beschrieben wurden, sollte verstanden werden, dass verschiedene andere Änderungen und Modifikationen bzw. Abwandlungen gemacht werden können, ohne vom Geist und Umfang des beanspruchten Gegenstandes abzuweichen. Ferner müssen, obwohl verschiedene Aspekte des beanspruchten Gegenstandes hier beschrieben wurden, derartige Aspekte nicht in Kombination verwendet werden. Es ist deshalb beabsichtigt, dass die angefügten Ansprüche alle derartigen Änderungen und Abwandlungen bzw. Modifikationen umfassen, welche innerhalb des Umfanges des beanspruchten Gegenstandes sind.

Claims

Leistungselektronikbauteil, welches umfasst: eine Halbleitervorrichtung, welche sich über ein Metallsubstrat erstreckt; und eine transiente Flüssigphasen-(TLP)-Bindungsschicht, welche zwischen der Halbleitervorrichtung und dem Metallsubstrat angeordnet ist, wobei die TLP-Bindungsschicht eine Mehrzahl an ersten Hochschmelztemperatur-(HMT)-Partikeln, eine Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln, und eine TLP-Intermetallschicht umfasst, welche dazwischen angeordnet ist und die Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln, die Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln, die Halbleitervorrichtung und das Metallsubstrat TLP-zusammenbindet, wobei: jede der Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln einen aus einem ersten HMT-Material gebildeten Kern und eine aus einem zweiten HMT-Material gebildete Schale umfasst; jede der Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln wird aus einem dritten HMT-Material gebildet; das erste HMT-Material, das zweite HMT-Material, das dritte HMT-Material und die TLP-Intermetallschicht weisen einen höheren Schmelzpunkt als eine TLP-Sinterungstemperatur für die TLP-Bindungsschicht auf.
Das Leistungselektronikbauteil nach Anspruch 1, wobei die TLP-Bindungsschicht eine gestufte Steifigkeit entlang einer Dicke der TLP-Bindungsschicht aufweist.
Das Leistungselektronikbauteil nach Anspruch 1, welches ferner lokalisierte Variationen der Steifigkeit an Positionen aufweist, an welchen die Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln innerhalb der TLP-Bindungsschicht angeordnet ist.
Das Leistungselektronikbauteil nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl an ersten HMT-Partikel innerhalb der TLP-Bindungsschicht einen gestuften mittleren Durchmesser entlang einer Dicke der TLP-Bindungsschicht aufweist.
Das Leistungselektronikbauteil nach Anspruch 1, wobei die TLP-Bindungsschicht eine gestufte Dichte der Mehrzahl an ersten HMT-Partikel entlang einer Dicke der TLP-Bindungsschicht aufweist.
Das Leistungselektronikbauteil nach Anspruch 1, wobei das erste HMT-Material Nickel, Silber, Kupfer, Aluminium, oder eine Legierung derselben ist.
Das Leistungselektronikbauteil nach Anspruch 1, wobei das zweite HMT-Material Nickel, Kupfer, Silber oder eine Legierung derselben ist.
Das Leistungselektronikbauteil nach Anspruch 1, wobei das dritte HMT-Material Nickel, Silber, Kupfer, Aluminium, oder eine Legierung derselben ist.
Das Leistungselektronikbauteil nach Anspruch 1, wobei ein mittlerer Durchmesser des Kerns der Mehrzahl der ersten HMT-Partikel zwischen ungefähr 10,0 µm und ungefähr 50,0 µm ist, eine mittlere Dicke der Schale der Mehrzahl an ersten HMT-Partikel zwischen ungefähr 0,5 µm und ungefähr 15 µm ist, und ein mittlerer Durchmesser der Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln zwischen ungefähr 5 µm und 50 µm ist.
Verfahren zur Herstellung eines Leistungselektronikbauteils, welches umfasst: Anordnen einer transienten Flüssigphasen-(TLP)-Bindungsschicht zwischen einem Metallsubstrat und einer Halbleitervorrichtung, um ein Metallsubstrat/Halbleitervorrichtungsbauteil bereitzustellen, wobei die TLP-Verbindungsschicht eine Mehrzahl an ersten Hochschmelztemperatur-(HMT)-Partikeln, eine Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln, und eine Mehrzahl an Niedrigschmelztemperatur-(LMT)-Partikeln umfasst, wobei: jede der Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln eine Kern-Schale-Struktur mit einem aus einem ersten HMT-Material gebildeten Kern und einer aus einem zweiten HMT-Material gebildeten Schale umfasst; jede der Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln aus einem dritten HMT-Material gebildet ist; jede der Mehrzahl an LMT-Partikeln aus einem LMT-Material gebildet ist; Erwärmen des Metallsubstrat/Halbleitervorrichtungsbauteils auf eine TLP-Sinterungstemperatur und Ausbilden einer TLP-Bindungsschicht zwischen dem Metallsubstrat und der Halbleitervorrichtung, wobei: das erste HMT-Material, das zweite HMT-Material und das dritte HMT-Material einen Schmelzpunkt über der TLP-Sinterungstemperatur aufweisen; und das LMT-Material einen Schmelzpunkt unter der TLP-Sinterungstemperatur aufweist, sodass die Mehrzahl an LMT-Partikeln zumindest teilweise schmilzt und eine TLP-Intermetallschicht zwischen der Mehrzahl an ersten HMT-Partikeln, der Mehrzahl an zweiten HMT-Partikeln, dem Metallsubstrat, und der Halbleitervorrichtung bildet.