JP6952552B2 - Connection materials and thermoelectric conversion modules and electronics - Google Patents
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Description
本発明は、電気的に接続する接続材料および熱電変換モジュールならびに電子装置に関する。 The present invention relates to electrically connected connecting materials and thermoelectric conversion modules and electronic devices.
素子の接続部に付与される熱応力に対する接続信頼性を向上させる技術が、例えば、特開2008−126272号公報(特許文献1)に開示されており、この特許文献1には、Al系合金層の最表面にZn系合金層を設けた接続材料を用いることが記載されている。
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-126272 (Patent Document 1) discloses a technique for improving connection reliability with respect to thermal stress applied to a connection portion of an element, and
上記特許文献1には、Zn系合金層と、Al系合金層と、Zn系合金層とが積層されてなる接続材料を用いることが記載されており、接続プロセス中にZn−Al合金接合層と軟らかいAl層とを形成することで、軟らかいAl層が応力緩衝材として機能するとしている。
しかしながら、ZnはAl中に固溶しやすい元素のため、接続材料の接続後もしくは電子装置の高温動作中に、接続部において、Al中にZnが固溶することにより、軟らかいAl層を維持することができなくなる。その結果、接続部のAl層による応力緩衝機能を得ることが困難となり、接続部の接続信頼性が低下することが懸念される。 However, since Zn is an element that is easily dissolved in Al, the soft Al layer is maintained by the solid solution of Zn in Al at the connection portion after the connection material is connected or during the high temperature operation of the electronic device. You will not be able to. As a result, it becomes difficult to obtain the stress buffering function by the Al layer of the connecting portion, and there is a concern that the connection reliability of the connecting portion is lowered.
本発明の目的は、高温環境下において、接続材料を用いた接続部の接続信頼性を向上させることができる技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a technique capable of improving the connection reliability of a connection portion using a connection material in a high temperature environment.
本発明の前記の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The aforementioned objects and novel features of the present invention will become apparent from the description and accompanying drawings herein.
本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 A brief overview of typical embodiments disclosed in the present application is as follows.
一実施の形態における接続材料は、Al層と、Ni層と、AlとNiとからなる第1合金層と、を有する。さらに、上記第1合金層は、上記Al層と上記Ni層との間に配置され、上記Al層におけるAlの含有率は、99at%以上である。 The connecting material in one embodiment includes an Al layer, a Ni layer, and a first alloy layer composed of Al and Ni. Further, the first alloy layer is arranged between the Al layer and the Ni layer, and the Al content in the Al layer is 99 at% or more.
一実施の形態における熱電変換モジュールは、複数の熱電素子と、上記複数の熱電素子とそれぞれ電気的に接続される複数の電極と、Al層、Ni層、およびAlとNiとからなる第1合金層を有する接続材料と、を有する。さらに、上記第1合金層は、上記Al層と上記Ni層との間に配置され、上記Al層におけるAlの含有率は、99at%以上である。さらに、上記複数の熱電素子と上記複数の電極とが、それぞれ上記接続材料を介して接続されている。 The thermoelectric conversion module in one embodiment is a first alloy composed of a plurality of thermoelectric elements, a plurality of electrodes electrically connected to the plurality of thermoelectric elements, an Al layer, a Ni layer, and Al and Ni. With a connecting material having a layer. Further, the first alloy layer is arranged between the Al layer and the Ni layer, and the Al content in the Al layer is 99 at% or more. Further, the plurality of thermoelectric elements and the plurality of electrodes are each connected via the connection material.
一実施の形態における電子装置は、半導体素子と、上記半導体素子が搭載される基板と、上記基板の表面に形成され、上記半導体素子が接続される導体部と、Al層、Ni層、およびAlとNiとからなる第1合金層を有する接続材料と、を有する。さらに、上記第1合金層は、上記Al層と上記Ni層との間に配置され、上記Al層におけるAlの含有率は、99at%以上である。さらに、上記半導体素子と上記導体部とが、上記接続材料を介して接続されている。 The electronic device in one embodiment includes a semiconductor element, a substrate on which the semiconductor element is mounted, a conductor portion formed on the surface of the substrate and to which the semiconductor element is connected, an Al layer, a Ni layer, and Al. It has a connecting material having a first alloy layer composed of and Ni. Further, the first alloy layer is arranged between the Al layer and the Ni layer, and the Al content in the Al layer is 99 at% or more. Further, the semiconductor element and the conductor portion are connected via the connecting material.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。 Among the inventions disclosed in the present application, the effects obtained by representative ones will be briefly described as follows.
接続材料を用いた接続部において、熱応力を緩衝し、高温環境下における接続信頼性を向上させることができる。 In the connection portion using the connection material, the thermal stress can be buffered and the connection reliability in a high temperature environment can be improved.
本実施の形態は、電気的および機械的な接続を図る接続材料において、上記接続材料が、軟らかく、かつ純度が高いAl(アルミニウム)層を備えることで、このAl層によって熱応力などの応力を緩衝する技術を説明するものである。その際、本実施の形態では、Alとの接続性を維持しつつ、Alとの反応を極力抑制することで、軟らかいAl層によって応力を緩衝する。 In the present embodiment, in a connecting material for electrical and mechanical connection, the connecting material is provided with an Al (aluminum) layer that is soft and has high purity, and the Al layer provides stress such as thermal stress. It describes the buffering technique. At that time, in the present embodiment, the stress is buffered by the soft Al layer by suppressing the reaction with Al as much as possible while maintaining the connectivity with Al.
図1は、本発明の熱電変換モジュールの要部の構造を示す部分断面図であり、熱電変換モジュールが有するP型の熱電素子およびN型の熱電素子のそれぞれの接続部を示している。 FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing the structure of a main part of the thermoelectric conversion module of the present invention, and shows the connection portions of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element of the thermoelectric conversion module.
図1に示す接続構造では、P型の熱電素子であるP型熱電素子421と、N型の熱電素子であるN型熱電素子422と、を本実施の形態の接続材料である応力緩衝材21を用いて、電極11を介して接合している。
In the connection structure shown in FIG. 1, a P-type
あるいは、応力緩衝材21を電極として、P型熱電素子421とN型熱電素子422とが電気的に接続された構造としてもよい(例えば、後述する図18の接続構造)。
Alternatively, the structure may be such that the P-type
本実施の形態の応力緩衝材(接続材料)21は、複数の金属層を積層した構造である。詳細には、応力緩衝材21は、Al層211と、Ni(ニッケル)層213と、AlとNiとの合金層であるAl−Ni合金層(第1合金層)212とによって構成され、かつAl層211におけるAlの含有率が99at%以上である。
The stress cushioning material (connecting material) 21 of the present embodiment has a structure in which a plurality of metal layers are laminated. Specifically, the
また、応力緩衝材21では、Al層211とNi層213との界面に、Al−Ni合金層212を有している。言い換えると、Al−Ni合金層212は、Al層211とNi層213との間に配置されている。このように応力緩衝材21において、Al層211とNi層213との界面に、Al−Ni合金層212が形成されることにより、AlとNiを強固に接続することが可能になる。
Further, the
なお、図1に示す接続構造では、応力緩衝材21は、その中心層としてAl層211が配置され、また、Al層211を挟持する形でAl層211の上下にAl−Ni合金層212が配置され、さらにAl−Ni合金層212の表層にNi層213が配置されている。そして、応力緩衝材21における一方のNi層213が電極11と接続するとともに、応力緩衝材21における他方のNi層213が、それぞれメタライズ411を介してP型熱電素子421もしくはN型熱電素子422の何れかと接続している。なお、メタライズ411は、例えばNiからなる。
In the connection structure shown in FIG. 1, the
次に、図2は本発明の接続材料に関わるAlとNiの2元系状態図である。図2に示すように、AlとNiの場合は、Al中にNiがほとんど固溶しない(図2の状態図におけるα−Al部)。すなわち、本実施の形態のようなAl層211とNi層213とでは、上述のZn(亜鉛)、Al、Znが積層されたクラッド構造で課題となっている純Al部への固溶が発生しにくい。その結果、本実施の形態の応力緩衝材21では、接続後や電子装置の高温動作中においても軟らかい純Al部(Al層211)を維持することが可能となり、応力緩衝機能を発揮することが可能となる。
Next, FIG. 2 is a binary phase diagram of Al and Ni related to the connecting material of the present invention. As shown in FIG. 2, in the case of Al and Ni, Ni hardly dissolves in Al (α-Al portion in the phase diagram of FIG. 2). That is, in the
また、Al中にNiがほとんど固溶しないため、Al層211内への部材拡散を抑制することが可能である。つまり、応力緩衝材21において、Al層211を、Al層の純度が高く、かつ軟らかい層として残存させることができるため、応力緩衝機能を発揮することができる。具体的には、Al層211におけるAlの純度を99at%以上とすることにより、Al層211の応力緩衝の効果を得ることが可能である。
Further, since Ni hardly dissolves in Al, it is possible to suppress the diffusion of members into the
例えば、Al合金では、2000系〜7000系(2000番台〜7000番台)のAl合金の場合は、添加元素に伴ってAlの強度が向上するため、応力緩衝効果を得にくい。そこで、1000系(1000番台)のAlであればAlの純度が高いため、軟らかいAl層を形成することが可能である。すなわち、Al層のAlの純度が99at%以上であれば、本実施の形態の応力緩衝の効果を発揮することが可能である。 For example, in the case of Al alloys, in the case of 2000 series to 7000 series (2000 series to 7000 series) Al alloys, the strength of Al increases with the added elements, so that it is difficult to obtain a stress buffering effect. Therefore, if it is 1000 series (1000 series) Al, the purity of Al is high, so that it is possible to form a soft Al layer. That is, when the purity of Al in the Al layer is 99 at% or more, the stress buffering effect of the present embodiment can be exhibited.
また、Al層211の厚さは100〜500μmの範囲であることが望ましい。Al層211が薄すぎると軟らかい応力緩衝層の領域が少ないため、熱応力を十分に緩衝することができなくなる。一方で、Al層211の厚さが厚い場合は、Alの熱膨張率の影響が大きくなることで、P型熱電素子421およびN型熱電素子422への熱応力負荷を助長する。したがって、Al層211の厚さを100〜500μmとすることにより、Al層211における熱応力を十分に緩衝することができるとともに、P型熱電素子421およびN型熱電素子422への熱応力負荷を低減することができる。
Further, the thickness of the
また、Ni層213の厚さは、1〜100μmの範囲であることが望ましい。Ni層213が薄すぎると、Al−Ni合金層212の形成が不十分となり、安定した接合界面を形成することができない。一方で、Ni層213が厚すぎるとその層の剛性が高くなることで、Al層211の応力緩衝機能を阻害してしまう。つまり、Ni層213の厚さを1〜100μmとすることにより、Al−Ni合金層212が十分形成され、安定した接合界面を得ることができる。さらに、Ni層213の剛性が高くなり過ぎず、Al層211の応力緩衝機能を発揮させることができる。
The thickness of the
また、応力緩衝材21は、被接続材であるP型熱電素子421、N型熱電素子422、電極11に合わせて最表面の層を追加することも可能である。例えば、後述する図3に示すように、応力緩衝材21の積層方向の中央に位置する層としてAl層211を配置し、また、Al層211を挟持する形でAl−Ni合金層212を配置している。さらに、Al−Ni合金層212の表層にNi層213を配置し、そして、熱電素子と接続する側のNi層213の表層にCu層214を配置している。Cu層214は、Niなどからなるメタライズ411を介して熱電素子と接続している。
Further, in the
これにより、応力緩衝材21は、P型熱電素子421およびN型熱電素子422のそれぞれの表層に配置されたメタライズ411との接続性を確保することが可能となる。なお、メタライズ411と、応力緩衝材21の最表面のCu層214とは、固相拡散接続によって接続することが可能である。
As a result, the
上述のように応力緩衝材21の表裏面の最表面に形成される層は、必ずしも同一でなくてもよい。例えば、P型熱電素子421、N型熱電素子422のそれぞれの表面に、メタライズ411としてNiが形成され、そして、電極11がCuからなる場合は層構成を表裏同一としなくてもよい。具体的には、後述する図3に示すように、電極11側に接続する応力緩衝材21の最表面をNi層213、P型熱電素子421およびN型熱電素子422側に接続する応力緩衝材21の最表面をCu層214とする。
As described above, the layers formed on the outermost surfaces of the front and back surfaces of the
これにより、応力緩衝材21を介した電極11と、P型熱電素子421およびN型熱電素子422との接続において、信頼性に優れる接続を達成することができる(後述する実施例1参照)。なお、Cu層214とNi層213は、CuとNiとからなる合金層であるCu−Ni合金層(第2合金層)215を介して接続されている。言い換えると、Cu−Ni合金層215は、Cu層214とNi層213とに接続されている。
As a result, it is possible to achieve a highly reliable connection between the
次に、本実施の形態の応力緩衝材21を用いた接続における各接続条件について説明する。
Next, each connection condition in the connection using the
まず、接続温度について説明すると、接続温度は350〜500℃が望ましい。接続温度が低すぎる場合は、熱活性が不十分で接続を達成することができない。一方、接続温度が高すぎる場合は、軟らかいAl層211が温度依存性によってさらに軟らかくなるため、接続時の変形が大きくなる。そして、接続時の変形が大きくなり過ぎると、P型熱電素子421、N型熱電素子422および電極11のそれぞれに傾きが生じることで、熱電変換モジュールの熱源への接触性が低下する。
First, the connection temperature will be described. The connection temperature is preferably 350 to 500 ° C. If the connection temperature is too low, the thermal activity is insufficient and the connection cannot be achieved. On the other hand, when the connection temperature is too high, the
次に、接続時間について説明すると、接続時間は5〜60分が望ましい。接続時間が短いと接続温度が低い場合と同様に原子間の拡散が不十分で接続不良に至る。一方、接続時間が長くなると強固な接続を達成できるが、接続時間が長すぎる場合は生産性が低下する。 Next, the connection time will be described. The connection time is preferably 5 to 60 minutes. If the connection time is short, the diffusion between atoms is insufficient as in the case where the connection temperature is low, leading to poor connection. On the other hand, if the connection time is long, a strong connection can be achieved, but if the connection time is too long, the productivity is lowered.
次に、接続時の加圧力について説明すると、加圧力は、1〜10MPaが望ましい。加圧力が低すぎると部材間の接触が不十分となり、原子間の拡散が進行せずに、接続が達成できない。一方、加圧力が高すぎる場合は、Al層211や電極11が変形することで、熱電変換モジュールの熱源への接触性が低下する。
Next, the pressing force at the time of connection will be described. The pressing force is preferably 1 to 10 MPa. If the pressing force is too low, the contact between the members becomes insufficient, the diffusion between atoms does not proceed, and the connection cannot be achieved. On the other hand, if the pressing force is too high, the
以上のように、上述の望ましい接続温度、接続時間および加圧力で接続すると、軟らかいAl層211が適度に変形することにより、応力緩衝材21を介したメタライズ411と電極11との接続を達成することが可能であり、加圧による電極11の反りや凹みを抑制することが可能である。具体的には電極11の反りや凹みによる変形を30μm以内に抑えることができる。
As described above, when connected at the above-mentioned desirable connection temperature, connection time and pressing force, the
なお、応力緩衝材21は、必ずしもP型熱電素子421、N型熱電素子422の接続面の両面に形成されていなくてもよい。熱電変換モジュールは、動作時に一方の面が高温、他方の面が低温にさらされる。したがって、低温側の接続は、はんだなどの低融点接続材を用いて接続することが可能である。また、本実施の形態では、応力緩衝材21を電極11の変わりとして使用することもできる。
The
また、本実施の形態では、電子装置の一例として、熱電変換モジュールを挙げたが、パワーモジュールなどにおける素子の接続材料としても応力緩衝材21を使用することが可能である。パワーモジュールは、SiやSiC、GaNなどの素子が金属配線付きの絶縁基板に接続され、さらに絶縁基板が金属ベース板に接続される構造を備えている。そして、パワーモジュールでは、動作時は、上記素子の発熱に伴う熱応力が素子や接続部に負荷されるため、本実施の形態の応力緩衝材21を接続材料として使用することにより、熱応力を緩衝することが可能となり、パワーモジュールの信頼性を向上することができる。
Further, in the present embodiment, the thermoelectric conversion module is mentioned as an example of the electronic device, but the
以下、本発明の実施の形態を図を用いた実施例として説明する。各図において、同一の構成には同一の符号を付す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described as examples using figures. In each figure, the same components are designated by the same reference numerals.
(実施例1)
図3は本発明の実施例1における第1形態の熱電変換モジュールの要部の構造を示す部分断面図である。図3に示す接続構造において、電極11はCuからなり、P型熱電素子421およびN型熱電素子422のそれぞれは、応力緩衝材21を介して電極11に接合されている。そして、応力緩衝材21は、Al層211を積層方向の中央に位置させ、このAl層211から上下に順にAl−Ni合金層212、Ni層213、Cu層214が形成されている。ただし、Cu層214は、応力緩衝材21の熱電素子との接続側にのみ形成されている。
(Example 1)
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing the structure of a main part of the thermoelectric conversion module of the first embodiment in the first embodiment of the present invention. In the connection structure shown in FIG. 3, the
応力緩衝材21は、AlとNiとCuの表面に圧力を加えながら圧延して接続するクラッド工法にて形成されたものである。その際、Al層211の厚さは50〜700μm、Ni層213の厚さは20μm、Cu層214の厚さは20μmに設定した。
The
図4〜図8は、それぞれ図3の熱電変換モジュールの要部の製造方法の一部を示す部分断面図である。 4 to 8 are partial cross-sectional views showing a part of a manufacturing method of a main part of the thermoelectric conversion module of FIG. 3, respectively.
まず、図4に示すように、2つの電極11を準備し、次に、図5に示すように、それぞれの電極11の上に応力緩衝材21を載置し、その後、それぞれの応力緩衝材21上に、Niからなるメタライズ411を形成する。その後、図6に示すように、メタライズ411の上に、その反対側にメタライズ411が施されたP型熱電素子421およびN型熱電素子422を別々に載置する。さらに、図7に示すように、メタライズ411が施されたP型熱電素子421およびN型熱電素子422のそれぞれの上に、応力緩衝材21を載置し、その後、図8に示すように、それぞれの応力緩衝材21上に電極11を載置する。なお、図示しないが、整列治具を使用することで、電極11、応力緩衝材21、P型熱電素子421、N型熱電素子422を所望の位置に配列することができる。配列後に電極11を加圧し、さらに部材全体を加熱することで熱電変換モジュールが製造される。そして、いずれの場合もNi層213とCu層214は、Cu−Ni合金層215を介して接続されている。
First, as shown in FIG. 4, two
ここで、図9は本発明の接続材料のAl層の厚さに対する素子割れ評価の結果を示す評価結果図である。つまり、図9は、応力緩衝材21におけるAl層211の厚みの影響を示している。なお、Al厚がないもの(0のもの)は、比較材としてNi層213の厚みが20μm、Cu層214の厚みが20μmからなるバイメタルのクラッド材にて評価した。図9に示すように、Al厚がない場合(0の場合)は、接続後に素子割れが生じているが、Al厚が100〜500μmの範囲(図9のNo.3、4、5、6)では素子割れが生じておらず、応力緩衝効果を発揮することができる。一方、Al層211の厚さが500μmを超えると割れが生じるため、応力緩衝機能を発揮させるためのAl層211の厚さは、100〜500μmが適正である。また、いずれの構造の場合もCu層214とNi層213とは、Cu−Ni合金層215を介して接続されており、これにより、Cu層214とNi層213との接続では、強固な接続を達成している。
Here, FIG. 9 is an evaluation result diagram showing the result of element cracking evaluation with respect to the thickness of the Al layer of the connecting material of the present invention. That is, FIG. 9 shows the influence of the thickness of the
次に、図10は本発明の接続材料の各接続条件に対する接続可否評価の結果を示す評価結果図である。つまり、図10は各接続条件に対する接続可否、電極変形の程度を示している。図10における接続には、図9におけるAl厚が300μmのクラッド材を使用している。図10に示すように、接続温度が300℃の場合(図10のNo.1、2、3、4)は接続時間、接続圧によらず、接続が達成できなかった(接続可否が×)。 Next, FIG. 10 is an evaluation result diagram showing the result of the connectability evaluation for each connection condition of the connection material of the present invention. That is, FIG. 10 shows the possibility of connection and the degree of electrode deformation for each connection condition. For the connection in FIG. 10, a clad material having an Al thickness of 300 μm in FIG. 9 is used. As shown in FIG. 10, when the connection temperature was 300 ° C. (Nos. 1, 2, 3, and 4 in FIG. 10), the connection could not be achieved regardless of the connection time and the connection pressure (connection availability is ×). ..
また、接続温度が350℃以上の場合には、接続時間および接続圧の増加に伴い、接続が達成できている(図10のNo.7、8、10、11、12、14〜22)。ただし、接続温度と接続圧が高い場合(例えばNo.20)では、接続は達成できるものの、接続後に30μmを越える電極変形が確認されている。 Further, when the connection temperature is 350 ° C. or higher, the connection can be achieved as the connection time and the connection pressure increase (Nos. 7, 8, 10, 11, 12, 14 to 22 in FIG. 10). However, when the connection temperature and the connection pressure are high (for example, No. 20), although the connection can be achieved, the electrode deformation exceeding 30 μm has been confirmed after the connection.
そのため、本実施例1では、応力緩衝材21を用いた接続において、この接続を達成しつつ、電極変形が小さい(30μm以下)接続条件を適用することにより、接続信頼性を高めた熱電変換モジュールを実現することができる。さらに、高温側と低温側とで温度差を確保しやすい構造の熱電変換モジュールを製造することができる。
Therefore, in the first embodiment, in the connection using the
次に、図11は本発明の実施例1における第2形態の熱電変換モジュールの要部の構造を示す部分断面図である。 Next, FIG. 11 is a partial cross-sectional view showing the structure of a main part of the thermoelectric conversion module of the second embodiment according to the first embodiment of the present invention.
上述の通り、必ずしも応力緩衝材21をP型熱電素子421およびN型熱電素子422の両面に形成しなくてもよい。図11に示す接続構造では、P型熱電素子421およびN型熱電素子422の一方の面を応力緩衝材21を介して電極11に接続し、他方の面を接続材22を介して電極11に接続している。P型熱電素子421およびN型熱電素子422のそれぞれの一方の面のみが応力緩衝材21を介して電極11と接続していることが、図3の接続構造と異なっている。接続材22としては、例えば、はんだを用いており、図11に示す接続構造では、P型熱電素子421およびN型熱電素子422のそれぞれの他方の面が、はんだなどの接続材22を介して電極11に接続している。
As described above, the
次に、図12〜図16は、それぞれ図11の熱電変換モジュールの要部の製造方法の一部を示す部分断面図である。 Next, FIGS. 12 to 16 are partial cross-sectional views showing a part of a manufacturing method of a main part of the thermoelectric conversion module of FIG. 11, respectively.
図12〜図16に示す熱電変換モジュールの要部の組立てについて説明すると、まず、図12に示すように、2つの電極11を準備し、次に、図13に示すように、それぞれの電極11の上に応力緩衝材21を載置する。その後、図14に示すように、それぞれの応力緩衝材21上に、Niからなるメタライズ411が施されたP型熱電素子421およびN型熱電素子422を別々に載置する。そして、この状態で加圧と加熱を行う。これにより、それぞれの電極11とP型熱電素子421、およびN型熱電素子422とが、それぞれ応力緩衝材21を介して接続される。
Assembling the main parts of the thermoelectric conversion module shown in FIGS. 12 to 16 will be described. First, as shown in FIG. 12, two
次に、図15に示すように、メタライズ411が施されたP型熱電素子421およびN型熱電素子422のそれぞれの上に接続材22を積置する。ここで、接続材22は、例えばはんだである。次に、図16に示すように、両方の接続材22上に電極11を積置後、加圧および加熱を行う。これにより、接続材22を介してP型熱電素子421およびN型熱電素子422と電極11とが、それぞれ接続され、熱電変換モジュールを製造することができる。
Next, as shown in FIG. 15, the connecting
なお、図14に示す状態での接続条件としては、図9および図10と同様の結果が得られた。また、図16の状態の接続としては、接続温度350℃、接続時間10分、接続圧0.01MPaのギ酸雰囲気で接続することにより、P型熱電素子421およびN型熱電素子422のそれぞれに割れが生じることなく、接続を達成することができる。なお、はんだなどの接続材22は、応力緩衝材21よりも低い接続温度のため、2回の加圧と加熱プロセスで接続することが可能である。加えて、はんだや導電性の金属ペーストで接続することにより、各部材の高さバラつきを吸収することができ、熱電変換モジュールの組立て性を向上させることができる。
As the connection conditions in the state shown in FIG. 14, the same results as in FIGS. 9 and 10 were obtained. Further, as the connection in the state of FIG. 16, the P-type
次に、図17は本発明の実施例1の熱電変換モジュールの全体構造を示す斜視図である。なお、図17に示す熱電変換モジュールでは、P型熱電素子421およびN型熱電素子422それぞれの電極11との接続部に応力緩衝材21が使用されているが、図17では応力緩衝材21は省略されている。
Next, FIG. 17 is a perspective view showing the overall structure of the thermoelectric conversion module according to the first embodiment of the present invention. In the thermoelectric conversion module shown in FIG. 17, a
図17に示す熱電変換モジュールは、複数の熱電素子と、上記複数の熱電素子とそれぞれ電気的に接続される複数の電極11と、有している。そして、上記複数の熱電素子と複数の電極11とが、それぞれ図1に示すような応力緩衝材(接続材料)21を介して接続されている。なお、上記熱電素子は、P型熱電素子421およびN型熱電素子422であり、複数の電極11のうちの何れか(少なくとも1つ)に、P型熱電素子421およびN型熱電素子422が、それぞれ応力緩衝材21を介して電気的に接続されている。
The thermoelectric conversion module shown in FIG. 17 has a plurality of thermoelectric elements and a plurality of
また、図17に示す熱電変換モジュールでは、電極11と、P型熱電素子421およびN型熱電素子422がそれぞれ電気的に直列回路となるように構成されている。
Further, in the thermoelectric conversion module shown in FIG. 17, the
これにより、上記熱電変換モジュールの表裏に温度差を与えた場合に、端部に位置する電極11上の端子52aに接続されたリード線52から電力を取り出すことができる。本実施例1では電極11をCuで構成する場合を説明したが、銅配線付きの絶縁基板を電極とした場合でも本実施例1の熱電変換モジュールと同様の効果を得ることができる。
As a result, when a temperature difference is applied to the front and back surfaces of the thermoelectric conversion module, electric power can be taken out from the
(実施例2)
図18は本発明の実施例2の第1形態の熱電変換モジュールの要部の構造を示す部分断面図である。図18に示す本実施例2の接続構造では、図1に示すような電極11を使用せずに、応力緩衝材21が電極も兼ねる形でメタライズ411が施されたP型熱電素子421とN型熱電素子422が接続されている。このように本実施例2の接続構造では、応力緩衝材21が電極も兼ねる形でP型熱電素子421およびN型熱電素子422と接続されていることが実施例1とは異なっている。
(Example 2)
FIG. 18 is a partial cross-sectional view showing the structure of a main part of the thermoelectric conversion module according to the first embodiment of the second embodiment of the present invention. In the connection structure of the second embodiment shown in FIG. 18, the P-type
これにより、図18の接続構造によれば、電極11を使用せずに済むため、部品点数を削減して熱電変換モジュールのコストの低減化を図ることができる。
As a result, according to the connection structure of FIG. 18, since the
次に、図19は本発明の実施例2の第2形態の熱電変換モジュールの要部の構造を示す部分断面図である。図19に示す接続構造は、P型熱電素子421およびN型熱電素子422のそれぞれにおける一方の面に電極も兼ねる応力緩衝材21が接続されており、他方の面はメタライズ411を介して電極11が接続された構造である。すなわち、上記他方の面には応力緩衝材21は接続されておらず、熱電素子がメタライズ411を介して電極11と接続されている。
Next, FIG. 19 is a partial cross-sectional view showing the structure of a main part of the thermoelectric conversion module of the second embodiment of the second embodiment of the present invention. In the connection structure shown in FIG. 19, a
このように図19に示す接続構造では、P型熱電素子421およびN型熱電素子422のそれぞれにおける一方の面のみに電極も兼ねる応力緩衝材21が接続されていることが、図18の接続構造とは異なっている。
As described above, in the connection structure shown in FIG. 19, the
次に、図20は本発明の実施例2の第3形態の熱電変換モジュールの要部の構造を示す部分断面図である。図20に示す接続構造では、P型熱電素子421およびN型熱電素子422のそれぞれにおける一方の面に電極も兼ねる応力緩衝材21が、はんだなどの接続材22を介して接続されており、他方の面は、メタライズ411が接続材22を介して電極11と接続された構造となっている。すなわち、P型熱電素子421およびN型熱電素子422のそれぞれの一方の面が、それぞれ接続材22を介して応力緩衝材21と接続され、それぞれの他方の面が、接続材22を介して電極11と接続されている。
Next, FIG. 20 is a partial cross-sectional view showing the structure of a main part of the thermoelectric conversion module of the third embodiment of the second embodiment of the present invention. In the connection structure shown in FIG. 20, a
また、図21は本発明の実施例2の第4形態の熱電変換モジュールの要部の構造を示す部分断面図である。図21に示す接続構造は、P型熱電素子421およびN型熱電素子422のそれぞれの一方の面が、それぞれ接続材22を介して電極11と接続され、それぞれの他方の面は、電極も兼ねた形の応力緩衝材21とメタライズ411のみを介して接続されている。
Further, FIG. 21 is a partial cross-sectional view showing the structure of a main part of the thermoelectric conversion module according to the fourth embodiment of the second embodiment of the present invention. In the connection structure shown in FIG. 21, one surface of each of the P-type
以上のように、図18〜図21に示す接続構造では、P型熱電素子421およびN型熱電素子422のそれぞれの少なくとも一方の面において、応力緩衝材21を電極として使用する場合は、接続材22を使用せずに固相拡散接合することが可能である。ただし、熱電変換モジュールの使用温度域によっては接続材22を使用することもできる。そして、いずれの場合もAl層211の応力緩衝効果によって信頼性の高い熱電変換モジュールを実現することが可能である。
As described above, in the connection structure shown in FIGS. 18 to 21, when the
(実施例3)
図22は本発明の実施例3の電子装置の一例であるパワーモジュールの要部の構造を示す断面図、図23は図22に示すパワーモジュールにおける接続材料の各接続条件に対する接続可否評価の結果を示す評価結果図である。
(Example 3)
FIG. 22 is a cross-sectional view showing the structure of a main part of a power module which is an example of the electronic device according to the third embodiment of the present invention, and FIG. It is an evaluation result figure which shows.
図22に示す本実施例3のパワーモジュールの構造について説明する。図22に示すパワーモジュールは、半導体チップ(半導体素子)51と、半導体チップ51が搭載される基板63と、基板63の表面に形成され、かつ半導体チップ51が接続される金属配線層(導体部)61と、応力緩衝材(接続材料)21と、を有している。応力緩衝材21は、例えば、図1に示すように、Al層211と、Ni層213と、AlとNiとからなるAl−Ni合金層212と、を有する接続材料である。そして、半導体チップ51と金属配線層61とが、応力緩衝材21を介して電気的および機械的に接続されている。
The structure of the power module of the third embodiment shown in FIG. 22 will be described. The power module shown in FIG. 22 is a metal wiring layer (conductor portion) formed on the surface of a semiconductor chip (semiconductor element) 51, a
また、基板63は、絶縁層62と、絶縁層62の表裏両面に形成された金属配線層61と、からなる。そして、半導体チップ51を接続した基板63が、金属製のベース板81上に接合層71を介して搭載されている。また、半導体チップ51の電極と基板63の金属配線層61とが、導電性のワイヤ91を用いて電気的に接続されている。
Further, the
なお、基板63の絶縁層62は、例えば、セラミックスからなり、金属配線層61は、例えば、Cuからなる。ワイヤ91は、例えば、AlまたはCuなどからなる。
The insulating
また、半導体チップ51の裏面には、メタライズ411としてNiが施されている。そして、半導体チップ51に施されたメタライズ411のNiと、基板63の金属配線層61とが応力緩衝材21によって接続されており、これにより、熱応力に起因する半導体チップ51の割れを防止することができる。
Further, Ni is applied as
ここで、図23の接続可否評価の評価結果図に示すように、No.1〜12までは実施例1の結果と同様であるが、本実施例3では接続温度が400℃を超えると熱応力によるチップ割れが生じる。そのため、接続温度については350〜400℃で接続することにより、接続信頼性の高いパワーモジュールを実現することが可能である。 Here, as shown in the evaluation result diagram of the connection availability evaluation in FIG. 23, No. 1 to 12 are the same as the results of Example 1, but in Example 3, chip cracking occurs due to thermal stress when the connection temperature exceeds 400 ° C. Therefore, it is possible to realize a power module with high connection reliability by connecting at a connection temperature of 350 to 400 ° C.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。 Although the invention made by the present inventor has been specifically described above based on the embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiment and includes various modifications. For example, the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the described configurations.
また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。 Further, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. .. Further, it is possible to add, delete, or replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration. It should be noted that each member and the relative size described in the drawings have been simplified and idealized in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and have a more complicated shape in terms of mounting.
例えば、上記実施例3では、電子装置の一例としてパワーモジュールを取り上げ、そのパワーモジュールの要部の構造について説明したが、設置される半導体チップ51の数は2つ以上の複数であってもよい。さらに、図示はしてないが、半導体チップ51は、例えば、熱硬化性樹脂などの封止材によって封止されていることが望ましい。
For example, in the third embodiment, the power module is taken as an example of the electronic device, and the structure of the main part of the power module has been described. However, the number of
11 電極
21 応力緩衝材(接続材料)
22 接続材
211 Al層
212 Al−Ni合金層(第1合金層)
213 Ni層
214 Cu層
215 Cu−Ni合金層(第2合金層)
411 メタライズ
421 P型熱電素子(熱電素子)
422 N型熱電素子(熱電素子)
51 半導体チップ(半導体素子)
52 リード線
52a 端子
61 金属配線層(導体部)
62 絶縁層
63 基板
71 接合層
81 ベース板
91 ワイヤ
11
22
213
411 Metallize 421 P-type thermoelectric element (thermoelectric element)
422 N-type thermoelectric element (thermoelectric element)
51 Semiconductor chip (semiconductor element)
52
62
Claims (11)
Ni層と、
AlとNiとからなる第1合金層と、
Cu層と、
前記Cu層に積層され、かつCuとNiとからなる第2合金層と、
を有し、
前記第1合金層は、前記Al層と前記Ni層との間に配置され、
前記Al層におけるAlの含有率は、99at%以上であり、
前記第2合金層は、前記Ni層に接続されている、接続材料。 Al layer and
Ni layer and
A first alloy layer composed of Al and Ni,
Cu layer and
A second alloy layer laminated on the Cu layer and composed of Cu and Ni,
Have,
The first alloy layer is arranged between the Al layer and the Ni layer.
The content of Al in the Al layer state, and are more than 99 at%,
The second alloy layer is a connecting material connected to the Ni layer.
Ni層と、
AlとNiとからなる第1合金層と、
を有し、
前記第1合金層は、前記Al層と前記Ni層との間に配置され、
前記Al層におけるAlの含有率は、99at%以上であり、
前記Al層の厚さは、100〜500μmである、接続材料。 Al layer and
Ni layer and
A first alloy layer composed of Al and Ni,
Have,
The first alloy layer is arranged between the Al layer and the Ni layer.
The content of Al in the Al layer state, and are more than 99 at%,
A connecting material having an Al layer having a thickness of 100 to 500 μm.
Ni層と、
AlとNiとからなる第1合金層と、
を有し、
前記第1合金層は、前記Al層と前記Ni層との間に配置され、
前記Al層におけるAlの含有率は、99at%以上であり、
前記Ni層の厚さは、1〜100μmである、接続材料。 Al layer and
Ni layer and
A first alloy layer composed of Al and Ni,
Have,
The first alloy layer is arranged between the Al layer and the Ni layer.
The content of Al in the Al layer state, and are more than 99 at%,
A connecting material having a thickness of the Ni layer of 1 to 100 μm.
前記複数の熱電素子とそれぞれ電気的に接続される複数の電極と、
Al層と、Ni層と、AlとNiとからなる第1合金層と、Cu層と、前記Cu層に積層され、かつCuとNiとからなる第2合金層と、を有する接続材料と、
を有し、
前記第1合金層は、前記Al層と前記Ni層との間に配置され、
前記Al層におけるAlの含有率は、99at%以上であり、
前記複数の熱電素子と前記複数の電極とが、それぞれ前記接続材料を介して接続され、
前記第2合金層は、前記Ni層に接続されている、熱電変換モジュール。 With multiple thermoelectric elements
A plurality of electrodes electrically connected to the plurality of thermoelectric elements, respectively,
A connecting material having an Al layer, a Ni layer, a first alloy layer composed of Al and Ni, a Cu layer, and a second alloy layer laminated on the Cu layer and composed of Cu and Ni.
Have,
The first alloy layer is arranged between the Al layer and the Ni layer.
The Al content in the Al layer is 99 at% or more, and is
The plurality of thermoelectric elements and the plurality of electrodes are connected via the connecting material, respectively .
The second alloy layer is a thermoelectric conversion module connected to the Ni layer.
前記複数の熱電素子とそれぞれ電気的に接続される複数の電極と、
Al層と、Ni層と、AlとNiとからなる第1合金層と、を有する接続材料と、
を有し、
前記第1合金層は、前記Al層と前記Ni層との間に配置され、
前記Al層におけるAlの含有率は、99at%以上であり、
前記複数の熱電素子と前記複数の電極とが、それぞれ前記接続材料を介して接続され、
前記Al層の厚さは、100〜500μmである、熱電変換モジュール。 With multiple thermoelectric elements
A plurality of electrodes electrically connected to the plurality of thermoelectric elements, respectively,
A connecting material having an Al layer, a Ni layer, and a first alloy layer composed of Al and Ni.
Have,
The first alloy layer is arranged between the Al layer and the Ni layer.
The Al content in the Al layer is 99 at% or more, and is
The plurality of thermoelectric elements and the plurality of electrodes are connected via the connecting material, respectively .
A thermoelectric conversion module having an Al layer having a thickness of 100 to 500 μm.
前記複数の熱電素子とそれぞれ電気的に接続される複数の電極と、
Al層と、Ni層と、AlとNiとからなる第1合金層と、を有する接続材料と、
を有し、
前記第1合金層は、前記Al層と前記Ni層との間に配置され、
前記Al層におけるAlの含有率は、99at%以上であり、
前記複数の熱電素子と前記複数の電極とが、それぞれ前記接続材料を介して接続され、
前記Ni層の厚さは、1〜100μmである、熱電変換モジュール。 With multiple thermoelectric elements
A plurality of electrodes electrically connected to the plurality of thermoelectric elements, respectively,
A connecting material having an Al layer, a Ni layer, and a first alloy layer composed of Al and Ni.
Have,
The first alloy layer is arranged between the Al layer and the Ni layer.
The Al content in the Al layer is 99 at% or more, and is
The plurality of thermoelectric elements and the plurality of electrodes are connected via the connecting material, respectively .
The thermoelectric conversion module having a thickness of the Ni layer of 1 to 100 μm.
前記複数の熱電素子のそれぞれは、P型熱電素子とN型熱電素子とを含んでおり、
前記複数の電極のうちの少なくとも何れか1つに、前記P型熱電素子および前記N型熱電素子が、それぞれ前記接続材料を介して電気的に接続されている、熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to any one of claims 4 to 6.
Each of the plurality of thermoelectric elements includes a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element.
A thermoelectric conversion module in which the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are electrically connected to at least one of the plurality of electrodes via the connection material.
前記半導体素子が搭載される基板と、
前記基板の表面に形成され、前記半導体素子が接続される導体部と、
Al層と、Ni層と、AlとNiとからなる第1合金層と、Cu層と、前記Cu層に積層され、かつCuとNiとからなる第2合金層と、を有する接続材料と、
を有し、
前記第1合金層は、前記Al層と前記Ni層との間に配置され、
前記Al層におけるAlの含有率は、99at%以上であり、
前記半導体素子と前記導体部とが、前記接続材料を介して接続され、
前記第2合金層は、前記Ni層に接続されている、電子装置。 With semiconductor elements
The substrate on which the semiconductor element is mounted and
A conductor portion formed on the surface of the substrate and to which the semiconductor element is connected and
A connecting material having an Al layer, a Ni layer, a first alloy layer composed of Al and Ni, a Cu layer, and a second alloy layer laminated on the Cu layer and composed of Cu and Ni.
Have,
The first alloy layer is arranged between the Al layer and the Ni layer.
The Al content in the Al layer is 99 at% or more, and is
The semiconductor element and the conductor portion are connected via the connecting material, and the semiconductor element and the conductor portion are connected via the connecting material .
The second alloy layer is an electronic device connected to the Ni layer.
前記半導体素子が搭載される基板と、
前記基板の表面に形成され、前記半導体素子が接続される導体部と、
Al層と、Ni層と、AlとNiとからなる第1合金層と、を有する接続材料と、
を有し、
前記第1合金層は、前記Al層と前記Ni層との間に配置され、
前記Al層におけるAlの含有率は、99at%以上であり、
前記半導体素子と前記導体部とが、前記接続材料を介して接続され、
前記Al層の厚さは、100〜500μmである、電子装置。 With semiconductor elements
The substrate on which the semiconductor element is mounted and
A conductor portion formed on the surface of the substrate and to which the semiconductor element is connected and
A connecting material having an Al layer, a Ni layer, and a first alloy layer composed of Al and Ni.
Have,
The first alloy layer is arranged between the Al layer and the Ni layer.
The Al content in the Al layer is 99 at% or more, and is
The semiconductor element and the conductor portion are connected via the connecting material, and the semiconductor element and the conductor portion are connected via the connecting material .
An electronic device having an Al layer having a thickness of 100 to 500 μm.
前記半導体素子が搭載される基板と、
前記基板の表面に形成され、前記半導体素子が接続される導体部と、
Al層と、Ni層と、AlとNiとからなる第1合金層と、を有する接続材料と、
を有し、
前記第1合金層は、前記Al層と前記Ni層との間に配置され、
前記Al層におけるAlの含有率は、99at%以上であり、
前記半導体素子と前記導体部とが、前記接続材料を介して接続され、
前記Ni層の厚さは、1〜100μmである、電子装置。 With semiconductor elements
The substrate on which the semiconductor element is mounted and
A conductor portion formed on the surface of the substrate and to which the semiconductor element is connected and
A connecting material having an Al layer, a Ni layer, and a first alloy layer composed of Al and Ni.
Have,
The first alloy layer is arranged between the Al layer and the Ni layer.
The Al content in the Al layer is 99 at% or more, and is
The semiconductor element and the conductor portion are connected via the connecting material, and the semiconductor element and the conductor portion are connected via the connecting material .
An electronic device having a thickness of the Ni layer of 1 to 100 μm.
前記基板の絶縁層は、セラミックスからなり、かつ、金属製のベース板上に搭載されている、電子装置。 In the electronic device according to any one of claims 8 to 10.
An electronic device in which the insulating layer of the substrate is made of ceramics and mounted on a metal base plate.
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