JP2013220476A - 液相拡散接合の合金形成制御 - Google Patents
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Abstract
【課題】合金形成の制御のための液相拡散接合法を提供する。
【解決手段】厚さ制限の依存性が低下した実質的に均一な接合ラインを製造するための迅速で信頼できる方法を可能にする接合構造が開示される。また、このシステムは、パワーエレクトロニクスにおける性能を目的とする接合ラインを生成する。このシステムは、種々の構造に高度に適合でき、製造の選択肢を与えることができる。これは、多様な製造の選択を可能にし、外部条件への依存を少なくする。開示されるシステムは、少なくともウェハ対ウェハ、鋳型対ウェハ、鋳型対基板、又は鋳型対鋳型の接合に適用可能である。
【選択図】図１
【解決手段】厚さ制限の依存性が低下した実質的に均一な接合ラインを製造するための迅速で信頼できる方法を可能にする接合構造が開示される。また、このシステムは、パワーエレクトロニクスにおける性能を目的とする接合ラインを生成する。このシステムは、種々の構造に高度に適合でき、製造の選択肢を与えることができる。これは、多様な製造の選択を可能にし、外部条件への依存を少なくする。開示されるシステムは、少なくともウェハ対ウェハ、鋳型対ウェハ、鋳型対基板、又は鋳型対鋳型の接合に適用可能である。
【選択図】図１
Description
本開示は、合金形成、さらに詳しくはパワーエレクトロニクスにおける液相拡散接合を使用する合金形成に関する。
材料を接合させるために様々な方法が使用されている。自動車業界では長年溶接が使用されている。溶接は通常、融合プロセスによる材料（典型的には金属又は熱可塑性物質）の結合である。複雑な成分の設計はしばしば、「最弱部」が構造性能を制限するという概念に基づく。「理想的結合」は、結合される構造を含むバルク材料の特性のすべてを示すであろう。このような結合の作成は、決して簡単ではない。
自動車製造工程及びその中の要素とサブシステムは、比較的短い製造ウィンドウで利用できる信頼性の高い結合を必要とする。結合が起きるのを待つ時間は、選択肢にはない。業界では、溶接の電気的性質と接合中の合金の特性の強調は、重要ではない。
上記ニーズは、開示したシステムと方法とによりうまく満たされる。本開示は一般に、パワーエレクトロニクスにおける液相拡散接合を使用する合金形成の制御に関する。種々の実施態様において、電子素子の接合技術の接合性と製造の信頼性を改良する技術が開示される。この方法は、多様な化合物（又は合金）を生成する接合技術に特に有用である。
本開示は、厚み制限への依存度が低下した、実質的に均一な接合ラインの迅速で信頼できる製造を可能にする新しい接合技術を記載する。表現を変えると、本明細書に記載の技術を使用すると、厚み制限と過度の接合時間の無い実質的に単一の合金からできた実質的に均一な接合ラインが達成される。パワーエレクトロニクスのためにより良好な目的の性能を与える（より）適した接合ラインも達成される。このシステムは、適合性が高く、種々の構造や製造オプションが可能である。これは、製造技術の多様な選択を可能にし、外部条件への依存が小さい。この方法は、広範囲の分野に応用することができる。さらに、例えばこのプロセスは、多価電解質に関連する任意の用途で使用することができる。例えばこのシステムは、少なくともウェハ対ウェハ、ダイ（型）対ウェハ、ダイ対基板、又はダイ対ダイの接合に応用できる。さらにこのシステムは、従来の製造法に適合する。
本開示の実施態様の特徴と利点は、図面と組み合わせると、以下の詳細な説明からさらに明らかであろう。もちろん図面とその関連する説明は、特許請求の範囲内の構成例であり、本発明の範囲を限定するものではない。参照した要素間の対応を示すため、図面中で参照番号が再使用される。
以下の詳細な説明において、本開示が理解できるようにするために多くの具体的な詳細が示される。しかし、これらの具体的な詳細のいくつかが無くても、本開示の要素が実施できることは、当業者に明らかであろう。他の例では、本開示を不要に曖昧にするのを避けるために、公知の構造や技術は詳細に示していない。
本開示は一般に、パワーエレクトロニクスにおける液相拡散接合による合金形成の制御に関する。液相拡散（ＴＬＰ）接合は、基板材料の性質に似た微細構造を、従って機械的性質を、有する連結部を生成する。ＴＬＰ接合は、中間層からの融点低下要素が接合温度で基板の格子と顆粒の境界に移動する時に拡散が起きる拡散接合とは異なる。固相拡散法は、接合界面での組成物の変化につながり、異なる中間層が、親材料より低温で溶融する。すなわち液体の薄層が界面に沿って広がり、親材料のいずれかの融点より低い温度で連結部を形成する。接合温度の低下は、溶融物の凝固を引き起こし、次にこの相は、接合温度を維持して親材料中に拡散することがある。
種々の実施態様において、電子素子の接合技術の接合性と製造の信頼性を改良するためのシステムと方法１００が開示される。この方法１００は、多数の化合物（又は合金）を生成する接合技術に特に有用である。
種々の実施態様の図１について、本方法１００は、エレクトロニクスパッケージングの液相拡散（ＴＬＰ）接合を利用する。ＴＬＰ接合は、このプロセス中は、再溶融温度（すなわち持続温度）が接合温度より有意に高くなるため、高出力半導体素子にとって有効となり得る。ＴＬＰは、多くの電子素子、特にシリコン、ＳｉＣ、ＧａＮなどでできたような高温出力電子素子で有用となり得る。
ＴＬＰの概観を図１に示す。一般にＴＬＰ接合には、２つ（又は多数）の材料が関与する。既に記載されているように２つの材料は、材料Ａ５０（高い溶融温度を有する）と材料Ｂ７５（材料Ａ５０の溶融温度に対して低い溶融温度を有する）である。材料Ａ５０と材料Ｂ７５の両方とも、組成は純粋ではないことを理解されたい。接合温度が上昇すると、図１の工程２に示すように、材料Ｂ７５は溶融し、材料Ａ５０内に拡散する。拡散した材料は連続して材料Ｂ７５と反応して、等温凝固により合金を形成する。図１の工程４（例えば、均一な接合ライン）に記載されるように、接合ラインがＡ＋Ｂ合金の完全なセットとなるまで、凝固は続く。ＴＬＰ接合プロセス中に、機械的圧力（数ｋＰａから数ＭＰａの範囲、例えば３ｋＰａから１ＭＰａ）を加えてもよい。
あるＴＬＰ材料では、図１の工程５に記載のように、複数のＡ＋Ｂ合金が複数の化合物を生成し、不均一な接合ラインを生成することがある。この不均一な接合ラインは、その不均一性、非一貫性、非制御性、及び予測不可能性のために、しばしば理想的ではないと考えられ、製造に問題を与える。例えば銅−スズ（Ｃｕ−Ｓｎ）は、複数のＣｕ−Ｓｕ化合物（又は合金）を生成するＴＬＰ材料である。銅とスズは両方ともパワーエレクトロニクス材料で広く使用されているため、種々の実施態様において本開示の方法１００は、不均一な接合ラインの生成を最小にするように構成される。
一般に複数の利用できる合金の中で特定の合金は、例えば導電性接合ラインのように、パワーエレクトロニクスの高出力利用と高温生成のために、パワーエレクトロニクス応用により適している。例えば、Ｃｕ3Ｓｎ合金とＣｕ6Ｓｎ5合金は両方ともＣｕ−ＳｎＴＬＰ接合プロセスにより生成されるが（Ｃｕ3Ｓｎは合金Ｂ＋」に対応し、Ｃｕ6Ｓｎ5は合金Ａ＋に対応する）、Ｃｕ3Ｓｎ合金はＣｕ6Ｓｎ5と比較して高い導電性を有する。すなわちパワーエレクトロニクスにとって目的は、好適な材料（例えば、Ｃｕ6Ｓｎ5合金の代わりにＣｕ3Ｓｎ合金）から作成された均一な接合ラインを生成するためのプロセスを利用することであろう。上記の開示されたニーズは、本開示システムと方法１００によりうまく満たされる。
銅−スズ（Ｃｕ−Ｓｎ）ＴＬＰ接合は、複雑な相図（図２に示す）を有し、多くの複合構成物を生成する。図中のＣｕ−Ｓｎ複合物（又は合金）の中で、Ｃｕ3ＳｎとＣｕ6Ｓｎ5は、パワーエレクトロニクス用途で最も頻繁に見られる。従来の方法を使用すると、パワーエレクトロニクスのダイ接着の接合ライン中で２つのＣｕ−Ｓｎ合金が共存し得る（そのような接合ライブラリーの１例を図３に示す）。図３に示す接合ラインは、不均一（すなわち、複数の材料からなる）で不明瞭な形を有する。Ｃｕ3Ｓｎ合金は、Ｃｕ6Ｓｎ5合金により囲まれる（図３）か、又は合金Ｃｕ6Ｓｎ5により挟まれる。接合ラインの性質は制御することが困難である。Ｃｕ3Ｓｎ接合ラインのみを生成するために、いくつかの方法が試みられている。１つはＳｎの厚さを減少させることであり、他の１つは接合時間を延長することである。しかし両方の方法ともに問題がある。第１の方法（より薄いＳｎ層）は、薄い接合ライン（例えば１〜５μｍ）のみを作成することができるが、これは高温に曝露された時、熱い接合ラインと比較してより多くのストレスを経験する。本方法は、サイズを限定されない接合ライン（例えば１〜３０μｍ、又は５μｍ〜５０μｍ）を生成することができる。高温誘導性ストレス（これは、パワーエレクトロニクスにおいて一般に問題である）は、接合ラインでの損傷の確率を上昇させ、従ってＳｎを薄くすることは、限界のあるアプローチである。第２の方法（より長い接合時間）は、より熱い接合ラインを達成できるが、長い処理時間を必要とし、これは大量生産には適していない。これらのアプローチと問題はＣｕ−Ｓｎ（これは本明細書における例として使用される）に限定されず、複雑な相図を有し複数の合金を生成する材料で観察することができる。例えば、以下の表１は、さらなる従来の接合材料の非包括的リストを示す。
種々の実施態様において本システム１００は、単一の合金からなる均一な接合ラインを達成するのに利用される。例えば単一の合金は、パワーエレクトロニクス応用を目的とする特性に基づいてもよい。１つの合金の例はＣｕ3Ｓｎであり、これは他の合金（例えばＣｕ6Ｓｎ5）と比較してパワーエレクトロニクスにより適している。本システム１００は、厚い接合ラインを製造するように構成され、これは、高温により誘導される接合ラインストレスを低下させるのに有利である。また大量生産を促進するのに、本システムは長い接合時間を必要とせず、製造条件にあまり依存しない。例えば本システム１００の接合プロセスは、約３０分〜約２時間である。本システム１００は、接合される素子に優れた電気伝導性と熱伝導性を与え、従って従来法に対して素子性能ならびに接合品質が改良されている。
複数の構造と製造オプションが提唱される。様々な材料が使用できる。また材料表面の前処理を行うことができる。この多様性は、融通性ある設計と製造プロセス、及び多くの用途へのこの方法の応用を可能にする。例えば、このシステムと方法１００は、ウェハ対ウェハ、ダイ（型）対ウェハ、ダイ対基板、ダイ対ダイの接合に応用できる。またここに開示した技術１００は、従来の製造法に適合する。
図４（ａ）と４（ｂ）に、本開示技術の実施態様例の概念図が記載される。既に考察したようにＴＬＰは、２つの材料を接合するのに使用される：材料Ａ５０は高い溶融温度を有し、材料Ｂ７５は比較的低い溶融温度を有する。システム１００は、２つの材料間の接触面積を増やす結果を利用するように構成される。「波状」表面（図４（ｂ）に示す）は、平らな表面（図４（ａ）に示す）と比較して、接触面積を４０％以上増やす。変更された表面特性（例えば波状表面）は、本明細書に記載のプロセス及び技術を使用して達成される（例えば図８〜９を参照）。
Ｃｕ−Ｓｎを使用するシステム１００が開示される；しかし、類似の方法１００は、複数の合金（例えば表１に開示されたもの）を生成する他の２材料ＴＬＰ接合で使用することができる。例えば、第１材料である材料Ａ５０と第２材料である材料Ｂ７５は、銅、スズ、銀、インジウム、金、ニッケル、及び／又はホウ素の任意のものでよい。Ｃｕ−Ｓｎの２つの最も一般的な合金（Ｃｕ3ＳｎとＣｕ6Ｓｎ5）は、以下の方法で生成し得る。第１に、Ｃｕ（材料Ａ５０）はＳｎ（材料Ｂ７５）と反応し、第１のＣｕ−Ｓｎ合金であるＣｕ6Ｓｎ5を生成する。Ｃｕ6Ｓｎ5は残ったＣｕ５０と反応して、Ｃｕ3Ｓｎを生成する。従って種々の実施態様において、Ｃｕ6Ｓｎ5は、Ｃｕ５０との接触が増加するように構成され、これが２つの材料間の反応を促進し、Ｃｕ3Ｓｎをより迅速に生成する。すなわち実質的にＣｕ3Ｓｎのみからなる生じる均一な接合ラインは、平らな表面（図４（ａ））と比較して、より短い時間で達成される。
この方法１００は、比較的短時間に均一な接合ラインを作成する以外の他の利点を有する。パワーエレクトロニクスでは、高い導電性を与える接合ラインが有効である。Ｃｕ3ＳｎはＣｕ6Ｓｎ5より高い導電性を有し、従って一般的にパワーエレクトロニクスにより適している。言い換えると、本明細書に開示の技術は、パワーエレクトロニクス応用に充分に適した、Ｃｕ6Ｓｎ5の無いＣｕ3Ｓｎのみから実質的になる接合ラインを形成する。図５は、複数の合金の接合ラインから、パワーエレクトロニクスにより適した単一の合金接合ラインへの移行を例示する。本明細書に開示の方法１００は、少なくとも自動車産業、船舶産業、航空産業、原子力産業、及び／又はエレクトロニクス産業に応用される。さらに本明細書に開示の方法１００は、少なくともハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、及び／又は電気自動車に応用できる。
すでに開示されているように、図４（ｂ）の波形表面アプローチは、利用できる変更される表面の１つの例である。変更された表面特性は任意の形でもよい。例えば、変更された表面特性は、幾何的又は非幾何的パターン（模様）及び／又はこれらの組み合わせに従うことができる。変更された表面特性は、規則的又は不規則なパターンでもよい。例えば変形態様の非包括的なリストを図６と図７に示す。図６は、変種の２Ｄ断面図である。波形表面は、矩形の柱状又は円筒形（図６（ａ））、四角錐又は斧印に似た細断された流路（図６（ｂ））、又は丸い隆起（図６（ｃ）と６（ｄ））を含む一連のいくつかの構造でもよい。これはまた、材料Ａ５０とＢ７５（及び／又は、材料Ａ５０と、合金形成後の材料Ｂ７５の合金との）との界面強度を増強するためにベルクロ様構造（図６（ｅ）と６（ｆ））を作成してもよい。
構造の配列はまた変化してもよい。例えば、図７は、図６（ａ）に示す矩形の柱状のこのような配列の変形態様を示す。配列は、スリットのアレイ（図７（ａ））、グリッド／格子縞パターン（図７（ｂ））、又は柱のアレイ（図７（ｃ））を含む。もちろん、図７に示す他の変形態様も同様に、配列の変形態様、例えば、ランダムなパターン、又は図７（ａ）〜７（ｃ）の組み合わせのようなパターンの組み合わせ、及び／又はランダムなパターンと図７（ａ）〜７（ｃ）のような規則的なパターンの１つとの組み合わせを含んでもよい。
種々の実施態様において、材料Ｂ７５は２つの部分の間に挟まれる。これらの２つの部分は、両方とも材料Ａ５０であるか、又は材料Ａと変更された表面の特徴を有する別の材料とからなるものでもよい。
種々の実施態様において、材料Ａ５０及び／又は材料Ｂ７５は、変更された表面の特徴を有してもよい。例えば、パターンなどの表面の特徴を材料Ｂ７５に適用することなく、パターンなどの表面の特徴を材料Ａ５０（高い溶融温度を有する）に適用することは、製造のために都合がよい場合がある。これは、Ｂ７５がＴＬＰ接合プロセス中に溶融するためである（図１、工程２）。すなわち、溶融材料Ｂ７５（例えばＳｎ）は、パターニングされた材料Ａ（例えばＣｕ）のくぼみにリフローする。図８は、このプロセスを詳細に記載する。
例えば組み立て中（図８（ａ）、図１の工程１）に、材料Ａ５０はパターンなどの変更された表面の特徴を有し、材料Ｂ７５は、実質的に変更された表面の特徴を有さない。接合プロセス開始に応答して材料Ｂは溶融し、材料Ａ５０の穴又はくぼみにリフローする（図８（ｂ）、工程２）。接合が進むと、リフローした材料Ｂ７５は、材料Ａ５０と大きな接触構造を形成する（図８（ｃ）、工程３）。
変更された表面特性（例えば、波形の表面及び／又はパターン）は、多くの方法で製造することができる。例えば、変更された表面特性は、（１）エッチング及び／又は（２）堆積によるものでもよい。一般に、エッチングは不要な部分を除去し、堆積は必要な部分を加える。エッチングは多くの方法で行うことができる。例えばエッチングは、化学エッチング（材料Ａ５０を除去する液体の使用）、ドライエッチング（材料Ａ５０を除去するガス又はプラズマの使用）、機械的研磨若しくはスクライビング、又は高エネルギービームエッチング、例えばレーザーエッチングによって達成することができる。堆積は、多くの方法で達成することができる。例えば、堆積は、追加の材料Ａ５０をマスクを介して電気メッキ、蒸発又は担持により堆積すること；材料Ａ５０のナノパターン転写若しくは選択的接合などのパターン転写；又は材料Ａ５０の成長によって達成することができる。図９（ａ）〜９（ｃ）はこれらの堆積法を記載する。図９（ａ）は、マスクを介した最初の堆積を示す。図９（ｂ）は、型及び予備充填された材料Ａを使用するパターン転写を記載する。図９（ｃ）は、材料Ａ５０のパターン化促進剤及び材料Ａ５０の成長（材料Ａ５０の捕捉）を示す。
本開示は、厚さ制限の依存性が低下した均一接合ラインの、迅速で信頼できる製造を可能にする新しい接合システム１００を記載する。このシステム１００は、種々の構造に高度に適合でき、製造オプションが実施してもよい。これは、製造条件への依存を低下させることができる。このプロセスは、広範囲の用途で使用することができる。例えばこのプロセス１００は、パワーエレクトロニクスに関連した任意の応用で使用することができる。例えばこのステム１００は、ウェハ対ウェハ、ダイ（型）対ウェハ、ダイ対基板、又はダイ対ダイの接合に適用できる。さらにこのシステム１００は、通常の製造技術と適合性がある。
本明細書に開示された例に関連した説明した種々の論理的ブロックａｎｄ工程は、電子ハードウェア、コンピューターソフトウェア、又は両方の組み合わせとして実施できることを、当業者は理解するであろう。そのような機能がハードウェアとして実施できるか又はソフトウェアとして実施できるかは、具体的な用途及び全体のシステムに課される設計の制限に依存する。当業者は、それぞれの具体的な応用について種々の方法で、記載の機能を実施できるであろうが、そのような実施の決定は、開示した装置や方法の範囲を逸脱するものではないことを理解すべきである。
本明細書に開示された例とともに記載した方法の工程又はアルゴリズムは、ハードウェアに直接に、プロセッサーにより実施されるソフトウェアモジュールに、又はこれらの２つの組み合わせ中で具体化される。ソフトウェアモジュールは、ＲＭＡメモリー、フラッシュメモリー、ＲＯＭメモリー、ＥＰＲＯＭメモリー、ＥＥＲＯＭメモリー、レジスター、ハードディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、又は当該分野で公知の保存媒体の他の形式中に存在し得る。保存媒体の例は、プロセッサーが保存媒体から情報を読み出し、保存媒体へ情報を書き込むことができるように、プロセッサーに連結される。あるいは保存媒体はプロセッサーと一体化されてもよい。プロセッサーと保存媒体は、アプリケーション特異的集積回路（ＡＳＩＣ）中に存在してもよい。
開示した例の前記説明は、当業者が本発明を実施し使用することができるように提供される。これらの例の種々の修飾態様は、当業者には容易に明らかであり、本明細書に開示された原理は、本発明の精神と範囲を逸脱することなく他の例に適用し得る。記載された実施態様は、すべての点で例示的なものであり、限定的なものではなく、本発明の範囲は、上記記載によってではなく以下の特許請求の範囲により示される。この特許請求の範囲と同等の意味及び範囲内にあるすべての変更は、本発明の範囲に包含される。
Claims (20)
- 合金形成の制御のための液相拡散接合法であって、
第２材料よりも高い溶融温度を有する第１材料の表面の特徴を変更して、第１材料の表面積を増加させる工程、
第１材料の変更された表面の特徴が第２材料の表面と接触するように第１材料と第２材料を配置する工程、
温度を第２材料の接合温度まで上げて部分的な液体の拡散を引き起こす工程、
部分的に拡散した材料を第２材料と反応させ、等温凝固により合金を形成する工程、及び
合金の実質的に均一な接合ラインを生成する工程
を含む、液相拡散接合法。 - 第１の第１材料部分と第２の第１材料部分の間に第２材料を挟み込んで配置する工程をさらに含む、請求項１に記載の液相拡散接合法。
- 第１の材料部分と第３の材料部分の間に第２材料を挟み込んで配置する工程をさらに含む、請求項１に記載の液相拡散接合法。
- 第１材料と第２材料に約３ｋＰａ〜約１ＭＰａの圧縮力を加える工程をさらに含む、請求項１に記載の液相拡散接合法。
- 接合ラインが約５μｍ〜約５０μｍである、請求項１に記載の液相拡散接合法。
- 表面の特徴の変更が、第１材料及び第２材料の少なくとも一方をエッチングすることを含む、請求項１に記載の液相拡散接合法。
- エッチングが、化学エッチング、ドライエッチング、機械的研磨、機械的スクライビング、及び高エネルギービームエッチングのうち少なくとも１つによって達成される、請求項６に記載の液相拡散接合法。
- 表面の特徴の変更が、第１材料又は第２材料の少なくとも一方に堆積を行うことを含む、請求項１に記載の液相拡散接合法。
- 堆積が、材料の堆積、パターン転写、及び材料の成長の少なくとも１つによって達成される、請求項８に記載の液相拡散接合法。
- 表面の特徴の変更が、第１材料又は第２材料の少なくとも一方に堆積を行うことを含む、請求項１に記載の液相拡散接合法。
- 第１材料の表面の特徴の変更を実質的に鏡のように反映するように、第２材料の表面の特徴を変更する工程をさらに含む、請求項１に記載の液相拡散接合法。
- 表面の特徴の変更が、ランダムなパターン、規則的なパターン、又は規則的なパターンとランダムなパターンの組み合わせのうち少なくとも１つにおいて表面の特徴を変更することを含む、請求項１に記載の液相拡散接合法。
- 第２材料と接触している第１材料の面全体の表面の特徴の種類を変更する工程をさらに含む、請求項１に記載の液相拡散接合法。
- 第１材料と第２材料の少なくとも一方が、銅、スズ、銀、インジウム、金、ニッケル、及びホウ素である、請求項１に記載の液相拡散接合法。
- 合金の形成が、他の可能性のある合金の導電性と比較した合金の導電性に基づいて選択される、請求項１に記載の液相拡散接合法。
- 接合プロセスが約３０分〜約２時間である、請求項１に記載の液相拡散接合法。
- パワーエレクトロニクスの作成のために使用される、請求項１に記載の液相拡散接合法。
- ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、及び電気自動車の少なくとも１つのために使用される、請求項１に記載の液相拡散接合法。
- 第２材料よりも高い溶融温度を有する第１材料の表面の特徴を変更して、第１材料の表面積を増加させる工程、
液相拡散接合のために、第１材料の変更された表面の特徴が第２材料の表面と接触するように、第１材料の第１部分と第１材料の第２部分の間に第２材料を挟み込んで配置する工程、及び
液相拡散接合により合金材料の実質的に均一な接合ラインを生成する工程
を含む、方法。 - 液相拡散接合により合金材料の実質的に均一な接合ラインを生成するためのシステムであって、
第１材料の第１部分と第１材料の第２部分の間に第２材料を挟み込んで配置する工程であって、別の材料に接触している第１材料及び第２材料の少なくとも一方の表面の特徴を変更して表面積を増加させる工程、及び
液相拡散接合により合金の実質的に均一な接合ラインを生成する工程であって、選択される合金が合金の導電性に基づく工程
を含む、システム。
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