JP6974277B2 - 熱応力補償接合層及びこれを包含するパワーエレクトロニクスアセンブリ - Google Patents

Description

本明細書は、概して接合材料に関し、より具体的には、パワーエレクトロニクスアセンブリの製造の間に、金属基材に半導体デバイスを接合させるための熱応力補償接合材料に関する。

高電力の用途、例えばハイブリッド電気自動車及び電気自動車のためのインバーターシステムにおいて、パワーエレクトロニクスデバイスがしばしば用いられている。かかるパワーエレクトロニクスデバイスとしては、パワー半導体デバイス、例えば金属基材に熱的に接合されたパワーＩＧＢＴ及びパワートランジスタが挙げられる。次いで、金属基材を、冷却構造、例えばヒートシンクに更に熱的に接合することができる。

電池技術の進展及び電子デバイスの実装密度の上昇により、パワーエレクトロニクスデバイスの操作温度は上昇し、現在２００℃に迫りつつある。したがって、従来の電子デバイスの半田付け技術は、半導体デバイスの金属基材への適切な接合をもはや提供せず、代替的接合技術が必要とされている。かかる選択的接合技術の１つは、遷移的液相（ＴＬＰ）焼結（「ＴＬＰ接合」ともここでは言及する）である。パワーエレクトロニクスデバイスのＴＬＰ焼結は、半導体デバイスと金属基材との間に配置（挟持）されている接合層を利用する。接合層は、約２８０℃〜約３５０℃のＴＬＰ接合温度（焼結温度としても言及する）で、少なくとも部分的に溶融し、等温的に硬化して、半導体デバイスと金属基材との間にＴＬＰ接合を形成する。半導体デバイス及び金属基材は、異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有しており、ＴＬＰ焼結温度から冷却すると、半導体デバイスと金属基材との間で大きな熱誘発応力（例えば冷却応力）が生じる可能性がある。パワー半導体デバイスと金属基材との間のＣＴＥの不整合に起因する大きな熱冷却応力は、現在公知の接合層を用いてＴＬＰ接合を形成した場合、パワーエレクトロニクスデバイスの半導体デバイスと金属基材との間の剥離をもたらす可能性がある。

１つの実施態様において、遷移的液相（ＴＬＰ）接合層は、一対の接合層の間に配置されている熱応力補償層を具備している。熱応力補償層は、複数の中空球及び所定の多孔性を有する金属逆オパール（ＭＩＯ：Ｍｅｔａｌ Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｏｐａｌ）層を具備している。熱応力補償層は、ＴＬＰ焼結温度より高い融点を有し、かつ一対の接合層は、各々ＴＬＰ焼結温度未満の融点を有する。実施態様において、ＭＩＯ層は、第一の表面、第二の表面、及び第一の表面と第二の表面との間の段階的な多孔性を含む。代替的に又は追加的に、ＭＩＯ層は、第一の表面と第二の表面との間の段階的な剛性を含む。一対の接合層は、第一の対の接合層及び第二の対の接合層を具備していてよく、第一の対の接合層は、ＭＩＯ層と第二の対の接合層との間に配置されている。第一の対の接合層の各々は、ＴＬＰ焼結温度よりも高い融点を有していてよく、かつ第二の対の接合層の各々は、ＴＬＰ焼結温度よりも低い融点を有していてよい。実施態様において、ＭＩＯ層は、銅逆オパール（ＣＩＯ）層であり、第一の対の接合層は、ニッケル、銀又はこれらの合金から形成されており、かつ第二の対の接合層は、スズ、インジウム、又はこれらの合金から形成されている。

別の実施態様において、パワーエレクトロニクスアセンブリは、金属基材を横断して延在している半導体デバイス、及び半導体デバイスと金属基材との間に配置されており、かつこれらに接合されている熱応力補償層を具備している。熱応力補償層は、複数の中空球及び所定の多孔性を有するＭＩＯ層を具備している。幾つかの実施態様において、熱応力補償層は、半導体デバイス及び金属基材にＴＬＰ接合されている。かかる実施態様において、ＭＩＯ層は、ＴＬＰ焼結温度より高い融点を有し、かつ一対の接合層は、各々ＴＬＰ焼結温度未満の融点を有する。実施態様において、ＭＩＯ層は、第一の表面、第二の表面、及び第一の表面と第二の表面との間の段階的な多孔性を含む。代替的に又は追加的に、ＭＩＯ層は、第一の表面と第二の表面との間の段階的な剛性を含む。一対の接合層は、第一の対の接合層及び第二の対の接合層を具備していてよく、第一の対の接合層は、ＭＩＯ層と第二の対の接合層との間に配置されている。第一の対の接合層の各々は、ＴＬＰ焼結温度よりも高い融点を有していてよく、かつ第二の対の接合層の各々は、ＴＬＰ焼結温度よりも低い融点を有していてよい。実施態様において、ＭＩＯ層は、銅逆オパール（ＣＩＯ）層であり、第一の対の接合層は、ニッケル、銀又はこれらの合金から形成されており、かつ第二の対の接合層は、スズ、インジウム、又はこれらの合金から形成されている。

更に別の実施態様において、パワーエレクトロニクスアセンブリの製造方法は、金属基材と半導体デバイスとの間に熱応力補償層を配置して、金属基材／半導体デバイスアセンブリを提供することを含む。熱応力補償層は、ＭＩＯ層を具備している。幾つかの実施態様において、熱応力補償層は、一対の接合層を、一対の接合層の間に配置されているＭＩＯ層とともに具備している。かかる実施態様において、方法は、金属基材／半導体デバイスアセンブリを、約２８０℃〜３５０℃の遷移的液相（ＴＬＰ）焼結温度まで加熱することを含んでもよい。一対の接合層が、各々、ＴＬＰ焼結温度よりも低い融点を有しており、かつＭＩＯ層が、ＴＬＰ焼結温度よりも高い融点を有しており、それによって、少なくとも一対の接合層が少なくとも部分的に溶融し、ＭＩＯ層と金属基材との間、及びＭＩＯ層と半導体デバイスとの間にＴＬＰ接合を形成するようにされている。一対の接合層は、第一の対の接合層、及び第二の対の接合層を具備していてよく、第一の対の接合層は、ＭＩＯ層と第二の対の接合層との間に配置されている。第一の対の接合層の各々は、ＴＬＰ焼結温度よりも高い融点を有しており、かつ第二の対の接合層の各々は、ＴＬＰ焼結温度よりも低い融点を有しており、それによって、第二の対の接合層が少なくとも部分的に溶融し、第一の対の接合層、金属基材、及び半導体デバイスＭＩＯ層とともにＴＬＰ接合を形成するようにされている。他の実施態様において、方法は、を電気めっき浴中又は無電解めっき浴中に配置すること、並びに金属基材及び半導体デバイスに前記ＭＩＯ層を、電気めっきにより接合するか、又は無電解めっきにより接合することを含む。

ここで記載した実施態様により提供したこれらの及び追加の側面は、図面と共に次の詳細な説明を考慮すれば、より完全に理解されよう。

図面において明らかにしている実施態様は、実際には例示的かつ典型的なものであり、請求項により規定する主題を限定することを意図していない。例示的な実施態様の次の詳細な説明は、次の図面と共に読むことにより理解することができる。図面では、同様の構造は、同様の参照番号により示している。

図１は、ここに図示又は記載されている１又は複数の実施態様による、熱応力補償層により金属基材に接合されているパワー半導体デバイスを有する、パワーエレクトロニクスアセンブリの側面図を概略的に示している； 図２は、ここに図示又は記載されている１又は複数の実施態様による、図１の熱応力補償層の拡大図を概略的に示している； 図３は、金属逆オパール層における多孔性の関数としての正規化ヤング率を、グラフを使って示している； 図４は、図１のパワー半導体デバイス及び金属基材に遷移的液相接合されている、図２の熱応力補償層を概略的に示している； 図５は、ここに図示又は記載されている１又は複数の実施態様による、図１における熱応力補償層の拡大図を概略的に示している； 図６は、図１のパワー半導体デバイス及び金属基材に遷移的液相接合されている、図５の熱応力補償層を概略的に示している； 図７は、ここに図示又は記載されている１又は複数の実施態様による、パワー半導体デバイス及び金属基材への熱応力補償層の接合処理を概略的に示している； 図８は、ここに図示又は記載されている１又は複数の実施態様による、複数のパワーエレクトロニクスアセンブリを有する乗物を概略的に示している。

図１は、概してパワーエレクトロニクスアセンブリの１つの実施態様を図示している。パワーエレクトロニクスアセンブリは、熱補償層により金属基材に熱的に接合されているパワー半導体デバイス（半導体デバイス）を具備している。熱補償層は、パワーエレクトロニクスアセンブリの製造及び操作から生み出されるか又はもたらされる熱誘発応力を補償する。熱誘発応力は、パワーエレクトロニクスアセンブリの半導体デバイスと金属基材との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の不整合に起因する。熱補償層は、複数の中空球及び所定の多孔性を有する金属逆オパール（ＭＩＯ）層を具備している。熱応力補償層は、ＭＩＯ層にわたって延在している一対の接合層を具備しており、それによって、一対の接合層の間にＭＩＯ層が配置されるようにしてよい。ＭＩＯ層は、遷移的液相（ＴＬＰ）焼結温度よりも高い融点を有し、かつ一対の接合層は、ＴＬＰ焼結温度よりも低い融点を有し、半導体デバイスと、ＭＩＯ層と、金属基材との間にＴＬＰ接合を形成するために用いる。熱応力補償材料、及び熱応力補償層を用いたパワーエレクトロニクスの種々の実施態様を、ここでより詳細に記載する。

図１をまず参照して、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００の一実施態様を説明する。パワーエレクトロニクスアセンブリ１００は、概して金属基材１１０、熱応力補償層１３０により金属基材１１０に接合されている２つの半導体デバイス１２０、冷却構造１４０、及びパッケージ収納部１０２を具備している。

金属基材１１０及び半導体デバイス１２０の厚さは、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００の意図する使用に依存してよい。１つの実施態様において、金属基材１１０は、約２．０ｍｍ〜約４．０ｍｍの範囲の厚さを有し、かつ半導体デバイス１２０は、約０．１ｍｍ〜約０．３ｍｍの範囲の厚さを有する。例えば、限定されないが、金属基材は、約３．０ｍｍの厚さを有していてよく、かつ半導体デバイス１２０は、約０．２ｍｍの厚さを有していてよい。他の厚さも採用できることが理解されるべきである。

金属基材１１０は、熱伝導材料から作られており、それによって、半導体デバイス１２０からの熱を冷却構造１４０へと移動させるようにされていてよい。金属基材は、銅（Ｃｕ）、例えば無酸素Ｃｕ、アルミニウム（Ａｌ）、Ｃｕ合金、Ａｌ合金等から作られてよい。半導体デバイス１２０は、パワー半導体デバイス、例えばパワーＩＧＢＴ及びパワートランジスタの製造又は生産に適したワイドバンドギャップ半導体材料から作られていてよい。実施態様において、半導体デバイス１２０は、限定されないが、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、ダイヤモンド等を含むワイドバンドギャップ半導体材料から作られていてよい。実施態様において、半導体デバイス１２０の金属基材１１０へのＴＬＰ焼結を促進するため、金属基材１１０及び半導体デバイス１２０は、コーティング、例えばニッケル（Ｎｉ）めっきを具備していてもよい。

図１に示したように、金属基材１１０は、熱応力補償層１３０を介して２つの半導体デバイス１２０に接合されている。より多くの又はより少ない半導体デバイス１２０が金属基材１１０に取り付けられていてもよい。幾つかの実施態様において、パワー半導体デバイス以外の熱を生み出すデバイスが金属基材１１０に取り付けられていてもよい。半導体デバイス１２０は、パワー半導体デバイス、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、パワーダイオード、パワー金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ：Ｐｏｗｅｒ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、パワートランジスタ等であってよい。１つの実施態様において、１又は複数のパワーエレクトロニクスアセンブリの半導体デバイス１２０は、電気的に結合されて、乗物の用途、例えばハイブリッド自動車又は電気自動車等のためのインバーター回路又はシステムを形成している。

金属基材１１０は、接合層１３８を介して冷却構造１４０に熱的に結合されている。１つの実施態様において、冷却構造１４０は、空冷式ヒートシンクを具備している。代替的な実施態様において、冷却構造１４０は、液冷式ヒートシンク、例えばジェット衝突式の又は流路をベースとするヒートシンクデバイスを具備している。図示した実施態様の金属基材１１０は、何らの追加の界面層（例えば追加の金属基板）なしに、接合層１３８を介して冷却構造１４０の第一の表面１４２に直接的に接合されている。金属基材１１０は、種々の接合技術を用いて、例えばＴＬＰ焼結、半田付け、ろう付け、又は拡散接合等により、冷却構造１４０に接合させることができる。しかしながら、代替的な実施態様において、１又は複数の熱伝導性界面層を、金属基材１１０と冷却構造１４０との間に配置してもよい。

図１を更に参照すると、金属基材１１０は、パッケージ収納部１０２の内部に保持されていてよい。パッケージ収納部１０２は、非導電性材料、例えばプラスチック等で作られていてよい。パッケージ収納部１０２は、種々の機械的結合法、例えば締め具又は接着剤等の使用により、冷却構造１４０に結合されていてよい。

パワーエレクトロニクスアセンブリ１００の内部には、半導体デバイス１２０への電力接続を与えるための第一電気コンタクト１０４ａ及び第二電気コンタクト１０４ｂが存在していてよい。第一電気コンタクト１０４ａは、第一電位に相当していてよく、かつ第二電気コンタクト１０４ｂは、第二電位に相当していてよい。図示した実施態様において、第一電気コンタクト１０４ａは、第一電線１２１ａを介して半導体デバイス１２０の第一の表面に電気的に結合されており、かつ第二電気コンタクト１０４ｂは、第二電線１２１ｂ及び金属基材１１０を介して半導体デバイス１２０の第二の表面に電気的に結合されている。他の電気的及び機械的配置が可能であること、並びに実施態様は、図に図示した構成要素の配置によって限定されないことが理解されるべきである。

ここで図２を参照すると、半導体デバイス１２０を金属基材１１０に接合する前における、図１における囲み１５０により画定されている領域の拡大図が概略的に示されている。実施態様において、半導体デバイス１２０は、金属基材１１０にＴＬＰ接合されている。かかる実施態様において、金属基材１１０は、接合層１１２を具備していてもよく、半導体デバイス１２０は、接合層１２２を具備していてもよく、かつ熱応力補償層１３０は、ＭＩＯ層１３２及び一対の接合層１３４を具備している。ＭＩＯ層１３２は、一対の接合層１３４の間で直接接触して配置されていてよい。ＭＩＯ層１３２は、複数の中空球１３３及び所定の多孔性を有する。実施態様において、ＭＩＯ層１３２についての剛性は、ＭＩＯ層１３２の多孔性、すなわち多孔性の量の関数である。ここで用いる場合には、剛性との用語は、材料の弾性率（ヤング率としても知られている）、すなわちその材料に力を印加した場合の、弾性変形することに対する材料の耐性の大きさを言及するものである。ＭＩＯ層１３２は、詰め込まれたマイクロスフェアの犠牲テンプレートの内部で金属を堆積させ、次いでこのマイクロスフェアを溶解させて、金属の骨格ネットワークを相互連結した中空球の周期的配列と共に残すことにより形成することができる。中空球は、多孔性及び中空球の孔の相互連結を増加させるためにエッチングされていてもよく、又はエッチングされていなくてもよい。金属の骨格ネットワークは、大きな表面積を有し、ＭＩＯ層１３２の多孔性の量は、犠牲となるマイクロスフェアの大きさを変更することにより変化させることができる。また、マイクロスフェアの大きさ及びそれに伴う中空球の大きさは、ＭＩＯ層１３２の厚さ（Ｙ方向）の関数として変化させて、段階的な多孔性、すなわち段階的な中空球の直径が、厚さの関数として与えられるようにすることができる。上記のとおり、ＭＩＯ層のヤング率（剛性）は、ＭＩＯ層における多孔性の関数であることができる。例えば、図３は、多孔性の関数としてのＭＩＯ層のヤング率を、グラフを使って示している。したがって、ＭＩＯ層１３２の剛性を変化及び制御させて、半導体デバイス１２０−金属基材１１０の所与の組合せについての熱応力を調節することができる。また、ＭＩＯ層１３２の厚さに沿った段階的な剛性を与えて、半導体デバイス１２０−金属基材１１０の所与の組合せについての熱応力を調節することができる。

一対の接合層１３４は、ＭＩＯ層１３２の融点よりも低い融点を有する。特に、一対の接合層１３４は、半導体デバイス１２０を金属基材１１０にＴＬＰ接合するために用いるＴＬＰ焼結温度よりも低い融点を有し、かつＭＩＯ層１３２は、ＴＬＰ焼結温度よりも高い融解温度を有する。非限定的な例として、ＴＬＰ焼結温度は、約２８０℃〜約３５０℃であり、かつ一対の接合層１３４は、約２８０℃未満の融点を有し、かつＭＩＯ層１３２は、３５０℃より高い融点を有する。例えば、一対の接合層１３４は、約２３２℃の融点を有するスズ（Ｓｎ）から作られていてよく、その一方で、ＭＩＯ層１３２は、電気めっき又は非電解めっきで堆積することができる随意の材料から作られていてよい。非限定的な例としては、約１０８５℃、６６０℃、９６２℃、４２０℃及び６５０℃の融点を各々有するＣｕ、Ｎｉ、Ａｌ、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）及びマグネシウム（Ｍｇ）等の材料が挙げられる。したがって、半導体デバイス１２０の金属基材１１０へのＴＬＰ焼結の間に、一対の接合層１３４は少なくとも部分的に融解し、かつＭＩＯ層１３２は融解しない。

ここで記載する熱応力補償層１３０は、製造条件（例えばＴＬＰ焼結）及び操作条件（例えば高い温度変化を引き起こす過渡的な電気負荷）によりもたらされる熱誘発応力、例えば熱冷却応力を補償する。パワーエレクトロニクスアセンブリ１００の金属基材１１０及び半導体デバイス１２０が異なる材料から作られているため、各々の材料についてのＣＴＥの差が、金属基材１１０、半導体デバイス１２０及び熱応力補償層１３０の内部で大きな熱誘発応力を引き起こす可能性がある。大きな熱誘発応力は、金属基材１１０の破断、又は金属基材１１０と半導体デバイス１２０の一方又は両方との間の従来のＴＬＰ接合材料の不具合（例えば剥離）に起因して、パワーエレクトロニクスアセンブリ１００の不具合をもたらす可能性があることを理解すべきである。

半導体デバイス１２０にＴＬＰ接合するための熱応力補償層１３０の使用は、かかる応力を緩和するか又は軽減する。すなわち、ここで記載する熱応力補償層１３０は、金属基材１１０及び半導体デバイス１２０が受ける熱膨張及び熱収縮を補償する。幾つかの実施態様において、ここで記載する熱応力補償層１３０は、金属基材１１０と半導体デバイス１２０との間の概して一定の剛性を有するＭＩＯ層１３２で、金属基材１１０及び半導体デバイス１２０が受ける熱膨張及び熱収縮を補償する。他の実施態様において、ここで記載する熱応力補償層１３０は、厚さ方向に段階的な剛性を有するＭＩＯ層１３２で、金属基材１１０及び半導体デバイス１２０が受ける熱膨張及び熱収縮を補償する。すなわち、ＭＩＯ層１３２の厚さ方向で変化している中空球の大きさ（平均直径）は、ＭＩＯ層１３２の厚さ方向に段階的な多孔性及びそれによる段階的な剛性を与える。ＭＩＯ層１３２は、厚さ方向に一定の剛性又は段階的な多孔性により、熱応力補償層１３０が塑性変形すること、及び金属基材１１０と半導体デバイス１２０との間のＣＴＥ不整合に起因して剥離しないことを可能とする。また、ＭＩＯ層１３２は、半導体デバイス１２０上で行われるその後の製造工程のために、金属基材１１０上に半導体デバイス１２０が適切に固定されるようにするのに十分な剛性を与える。熱応力補償層１３０はまた、２００℃に迫り、また２００℃を超える可能性がある操作温度の間における、金属基材１１０と半導体デバイス１２０との間の十分に高い高温接合強度を与える。

概して、ＭＩＯ層１３２は、平坦な薄層を具備しており、かつ一対の接合層１３４は、平坦な薄層を具備している。非限定的な例として、ＭＩＯ層１３２の厚さは、約２５マイクロメートル（ミクロン）〜約２００ミクロンであってよい。実施態様において、ＭＩＯ層１３２は、約５０ミクロン〜約１５０ミクロンの厚さを有する。他の実施態様において、ＭＩＯ層１３２は、約７５ミクロン〜１２５ミクロンの厚さ、例えば１００ミクロンの厚さを有する。一対の接合層１３４の厚さは、１ミクロン〜２０ミクロンであってよい。実施態様において、一対の接合層１３４は、約２ミクロン〜約１５ミクロンの厚さを各々有する。

熱応力補償層１３０は、従来の多層薄膜形成技術を用いて形成することができ、この技術は、一対の接合層１３４をＭＩＯ層１３２上に化学気相成長させること、一対の接合層１３４をＭＩＯ層１３２上に物理気相成長させること、一対の接合層１３４をＭＩＯ層１３２上に電気堆積させること、一対の接合層１３４をＭＩＯ層１３２上に無電解堆積させること等を実例として含むが、これらに限られない。

ここで図４を参照すると、半導体デバイス１２０を金属基材１１０にＴＬＰ接合した後における、図１の囲み１５０により画定されている領域の拡大図が概略的に示されている。図４に示したように、ＭＩＯ層１３２は、図２でのように残存しており、すなわち、ＭＩＯ層１３２は、ＴＬＰ接合処理の間に溶融せず、かつ概してＴＬＰ接合処理の前と同じ厚さを維持している。対照的に、一対の接合層１３４は、少なくとも部分的に溶融し、接合層１１２、１２２及びＭＩＯ層１３２へと拡散し、そしてＴＬＰ接合層１１２ａ及び１２２ａを形成する。図４に示したＴＬＰ接合層１１２ａ及び１２２ａは、接合層１３４を消費しているが、実施態様においては、ＴＬＰ接合層１１２ａ及び／又は１２２ａは、接合層１３４を完全に消費していなくてもよい。すなわち、半導体デバイス１２０と金属基材１１０との間でＴＬＰ接合した後において、接合層１３４の薄層が存在していてもよい。他の実施態様においては、接合層１３４及び接合層１１２、１２２のいずれも、ＴＬＰ接合層１１２ａ、１２２ａにより消費されている。すなわち、ＴＬＰ接合層１１２ａ及び／又は１２２ａのみが、ＭＩＯ層１３２と金属基材１１０及び／又は半導体デバイス１２０との間にそれぞれ存在している。更に他の実施態様においては、ＴＬＰ接合層１１２ａ及び／又は１２２ａは、層を具備していなくてもよい。すなわち、接合層１３４、１１２及び１２２の全てが、ＭＩＯ層１３２、金属基材１１０及び／又は半導体デバイス１２０へと拡散し、それによって、明確に定まったＴＬＰ接合層１１２ａ及び／又は１２２ａが存在しなくなる。

実施態様において、ＭＩＯ層１３２は、銅から作られており、すなわちＭＩＯ層１３２は、銅逆オパール（ＣＩＯ）層１３２である。かかる実施態様において、一対の接合層１３４は、Ｓｎから作られていてよく、接合層１１２、１２２は、ニッケル（Ｎｉ）から作られていてよく、ＴＬＰ接合層１１２ａ及び１２２ａは、Ｃｕ及びＳｎの金属間化合物層を含有していてよい。幾つかの実施態様において、ＴＬＰ接合層１１２ａ及び１２２ａは、Ｃｕ、Ｎｉ及びＳｎの金属間化合物層を含有していてよい。例えば、限定されないが、ＴＬＰ接合層１１２ａ及び１２２ａは、金属間化合物Ｃｕ_６Ｓｎ_５、金属間化合物（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５、金属間化合物Ｃｕ_３Ｓｎ、又は金属間化合物Ｃｕ_６Ｓｎ_５、（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５、及び／又はＣｕ_３Ｓｎの組合せを含有していてよい。Ｓｎから作られている接合層１３４は、ＴＬＰ焼結温度で少なくとも部分的に溶融し、次いで、Ｃｕ_６Ｓｎ_５が４１５℃で融解し始め、かつＣｕ_３Ｓｎが約７６７℃で融解し始めるため、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物の形成の間に等温的に凝固することが理解されるべきである。すなわち、ＴＬＰ接合層１１２ａ、１２２ａの融解温度は、一対の接合層１３４の融解温度よりも高い。

ここで図５を参照すると、別の実施態様に従い、半導体デバイス１２０を金属基材１１０に接合する前における、図１の囲み１５０により画定されている領域の拡大図が概略的に示されている。特に、熱応力補償層２３０は、ＭＩＯ層２３２、第一の対の接合層２３４及び第二の対の接合層２３６を具備している。ＭＩＯ層２３２は、第一の対の接合層２３４の間で直接接触して配置されていてよく、かつ第一の対の接合層２３４は、第二の対の接合層２３６の間で直接接触して配置されていてよい。ＭＩＯ層２３２は、複数の中空球２３３、及びＭＩＯ層２３２についての剛性を与える所定の多孔性を有する。

ＭＩＯ層２３２及び第一の対の接合層２３４の各々は、ＴＬＰ焼結温度よりも高い融点を有し、かつ第二の対の接合層２３６の各々は、ＴＬＰ焼結温度よりも低い温度を有し、金属基材１１０と半導体デバイス１２０との間のＴＬＰ接合を形成するために用いる。非限定的な例として、ＴＬＰ焼結温度は、約２８０℃〜約３５０℃であり、かつ第二の対の接合層２３６の各々は、約２８０℃より低い融点を有し、かつＭＩＯ層２３２及び第一の対の接合層２３４の各々は、３５０℃よりも高い融点を有する。例えば、第二の対の接合層２３６は、約２３２℃の融点を有するＳｎから作られていてよく、その一方で、ＭＩＯ層２３２及び第一の対の接合層２３４は、約１０８５℃、６６０℃、９６２℃、４２０℃及び６５０℃の融点を各々有するＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｚｎ及びＭｇ等の材料から作られていてよい。したがって、半導体デバイス１２０の金属基材１１０へのＴＬＰ接合の間、第二の対の接合層２３６は、少なくとも部分的に融解し、かつＭＩＯ層２３２及び第一の対の接合層２３４は、融解しない。

熱応力補償層２３０は、従来の多層薄膜形成技術を用いて形成することができ、この技術は、第一の対の接合層２３４及び第二の対の接合層２３６をＭＩＯ層２３２上に化学気相成長させること、第一の対の接合層２３４及び第二の対の接合層２３６をＭＩＯ層２３２上に物理気相成長させること、第一の対の接合層２３４及び第二の対の接合層２３６をＭＩＯ層２３２上に電気堆積させること、第一の対の接合層２３４及び第二の対の接合層２３６をＭＩＯ層２３２上に無電解堆積させること等を実例として含むが、これらに限られない。

ここで図６を参照すると、半導体デバイス１２０を金属基材１１０に熱応力補償層２３０によってＴＬＰ接合した後における、図１の囲み１５０により画定されている領域の拡大図が概略的に示されている。図６に示したように、半導体デバイス１２０を金属基材１１０にＴＬＰ接合した後、ＭＩＯ層２３２及び第一の対の接合層２３４は、図５でのように残存しており、すなわち、ＭＩＯ層２３２及び第一の対の接合層２３４は、ＴＬＰ接合処理の間に溶融せず、かつ概してＴＬＰ接合処理の前と同じ厚さを維持している。対照的に、第二の対の接合層２３６は、少なくとも部分的に溶融し、そしてＴＬＰ接合層２１２ａ及び２２２ａを形成する。図６に示したＴＬＰ接合層２１２ａ及び２２２ａは、それぞれ１つの層を具備しているが、実施態様においては、ＴＬＰ接合層２１２ａ及び／又は２２２ａは、接合層１１０と隣接する第一の接合層２３４との間、及び接合層１２２と隣接する第一の接合層２３４との間にそれぞれ２つ又はそれ以上の層を具備していてよい。他の実施態様において、ＴＬＰ接合層２１２ａ及び／又は２２２ａは、層を具備していなくてもよい。すなわち、接合層２３４、１１２及び１２２の全てが、ＭＩＯ層２３２、金属基材１１０及び／又は半導体デバイス１２０へと拡散し、それによって、明確に定まったＴＬＰ接合層２１２ａ及び／又は２２２ａが存在しなくなる。

ここで図７を参照すると、熱応力補償層により金属基材にパワー半導体デバイスを接合する方法が示されている。特に、工程３００において、ＭＩＯ層を上記のように形成し、そして工程３１０において、熱補償層を金属基材１１０と半導体デバイス１２０との間に配置して、電子デバイスアセンブリを形成する。幾つかの実施態様において、熱補償層を、金属基材１１０と半導体デバイス１２０との間でＴＬＰ接合させる。かかる実施態様において、熱応力補償層１３０を一対の接合層１３４の間に配置し（図２）、又は代替態様では、一対の第二の対の接合層２３６の間に配置されている一対の第一の接合層２３４の間に、熱応力補償層２３０を配置する（図５）。工程３１０では、熱応力補償層１３０（又は熱応力補償層２３０）を、金属基材１１０及び半導体デバイス１２０と直接接触させて、電子デバイスアセンブリを形成する。幾つかの実施態様において、力Ｆを半導体デバイス１２０に印加して、接合層１１２と、熱応力補償層１３０と、接合層１２２との間の接触がＴＬＰ接合処理の間に維持されることを確実にする。また、力Ｆは、半導体デバイス１２０がＴＬＰ接合処理の間に金属基材１１０に対して移動しないことを確実にすることができる。電子デバイスアセンブリを、工程３２０で加熱炉中に配置する。工程３３０で、電子デバイスアセンブリを、ＴＬＰ焼結温度まで加熱し、そして一対の接合層１３４を少なくとも部分的に溶融させ、そしてＴＬＰ接合層１１２ａを、ＭＩＯ層１３２と金属基材１１０との間に形成し、かつＴＬＰ接合層１２２ａを、ＭＩＯ層１３２と半導体１２０との間に形成する。ＴＬＰ焼結温度へと加熱した後、金属基材／半導体デバイスアセンブリを周囲温度まで冷却する。ここで用いる場合には、用語「周囲温度」は、室温を言及するものであり、例えば約２５℃未満、例えば約２０℃〜２２℃を言及するものである。電子デバイスアセンブリをＴＬＰ焼結温度まで加熱するための加熱炉は、不活性又は還元ガス雰囲気を含んでいてよいことが理解されるべきである。不活性ガス雰囲気の実例としては、ヘリウム、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトン、ラドン、及びこれらの組合せの雰囲気が挙げられるが、これに限られない。還元ガス雰囲気の実例としては、水素、アルゴンと水素、ヘリウムと水素、ネオンと水素、キセノンと水素、クリプトンと水素、ラドンと水素、及びこれらの組合せが挙げられるが、これに限られない。

他の実施態様において、熱応力補償層１３０（又は熱応力補償層２３０）を、金属基材１１０と半導体デバイス１２０との間で電気めっきにより接合するか、又は無電解めっきにより接合する。かかる実施態様において、工程３４０では、電子デバイスアセンブリを、電気めっき浴又は無電解めっき浴中に配置し、工程３５０では、接合層の電気めっき堆積又は無電解めっき堆積により、金属基材１１０及び半導体デバイス１２０に、ＭＩＯ層１３２を電気めっきにより接合するか、又は無電解めっきにより接合する。

上記のように、ここで記載する金属基材及びパワーエレクトロニクスアセンブリは、直流電力を交流電力へと変換し、特定の用途に応じてその逆を行うインバーター回路又はシステムに組み込まれていてよい。例えば、図８に示したハイブリッド電気自動車の用途においては、幾つかのパワーエレクトロニクスアセンブリ１００ａ〜１００ｆを、互いに電気的に結合させて、電池の層１６４により提供された直流電力を、自動車１６０の車輪１６８と結合されている電気モーター１６６を駆動させるために用いる交流電力へと変換する駆動回路を形成して、電力を用いて自動車１６０を推進させることができる。駆動回路において用いるパワーエレクトロニクスアセンブリ１００ａ〜１００ｆは、電気モーター１６６の使用及び回生制動によりもたらされる交流電力を、電池の層１６４に貯蔵するために直流電力に戻すために用いてもよい。

かかる自動車用途において利用されるパワー半導体デバイスは、操作中に有意な量の熱を生じる可能性があり、それによって、より高い温度及びＣＴＥ不整合に起因する熱誘発応力に耐えることができる、半導体デバイスと金属基材との間の接合が要求される。ここで記載しかつ図示している熱応力補償層は、半導体デバイスの金属基材への熱接合、及び／又はパワー半導体デバイスの操作の間に生じる熱誘発応力を、熱応力補償層の厚さ方向の一定の又は段階的な剛性により補償することができる一方で、小型のパッケージデザインを提供することができる。

ここで記載するパワーエレクトロニクスアセンブリ及び自動車に組み込まれる複層の複合材料は、追加の界面層の必要なしに、ＣＴＥ不整合に起因する熱誘発応力を補償するために利用することができ、それによって、低減された耐熱性を有するより小型のパッケージデザインを提供することができることが、ここで理解されるべきである。

用語「約」及び「概して」は、任意の定量比較、数値、測定値、又は他の表現に起因する不確定性の固有の程度を表現するためにここで利用できることに留意する。この用語は、議論している主題の基本的な機能の変化をもたらすことなく、定量的表現が言及した記載から変化することができる程度を示すためにもここで利用することができる。

特定の実施態様をここで図示及び記載してきたが、特許請求した主題の主旨及び範囲を逸脱することなく、種々の他の変更態様及び修正態様が可能であることを理解すべきである。更に、特許請求した主題の種々の側面をここで記載してきたが、かかる側面は、組み合わせて利用することを必要としない。したがって、添付の特許請求の範囲は、特許請求された主題の範囲内にある全てのかかる変更態様及び修正態様に及ぶことが意図されている。
本発明の実施態様の一部を以下の項目〈１〉−〈２０〉に記載する。
〈１〉少なくとも一対の接合層の間に配置されている熱応力補償層であって、複数の中空球及び所定の多孔性を有する金属逆オパール（ＭＩＯ）層を具備している、熱応力補償層；
を具備しており、
前記熱応力補償層が、ＴＬＰ焼結温度より高い融点を有し、かつ前記少なくとも一対の接合層が、各々前記ＴＬＰ焼結温度より低い融点を有している、
遷移的液相（ＴＬＰ）接合層。
〈２〉前記ＭＩＯ層が、第一の表面、第二の表面、及び前記第一の表面と前記第二の表面との間の段階的な多孔性を含む、態様１に記載のＴＬＰ接合層。
〈３〉前記ＭＩＯ層が、第一の表面、第二の表面、及び前記第一の表面と前記第二の表面との間の段階的な剛性を含む、態様１に記載のＴＬＰ接合層。
〈４〉前記少なくとも一対の接合層が、第一の対の接合層及び第二の対の接合層を具備しており：
前記第一の対の接合層が、前記ＭＩＯ層と前記第二の対の接合層との間に配置されており；
前記第一の対の接合層の各々が、前記ＴＬＰ焼結温度よりも高い融点を有し；かつ
前記第二の対の接合層の各々が、前記ＴＬＰ焼結温度よりも低い融点を有する、
態様１に記載のＴＬＰ接合層。
〈５〉前記ＭＩＯ層が、銅逆オパール（ＣＩＯ）層であり、前記第一の対の接合層が、ニッケル、銀又はこれらの合金から形成されており、かつ前記第二の対の接合層が、スズ、インジウム又はこれらの合金から形成されている、態様４に記載のＴＬＰ接合層。
〈６〉前記ＭＩＯ層が、約５０ミクロン〜約１５０ミクロンの厚さを有する、態様１に記載のＴＬＰ接合層。
〈７〉前記複数の中空球が、約５μｍ〜約５０μｍの平均直径を有する、態様１に記載のＴＬＰ接合層。
〈８〉前記一対の接合層が、各々約２ミクロン〜約１０ミクロンの厚さを有する、態様１に記載のＴＬＰ接合層。
〈９〉以下を具備している、パワーエレクトロニクスアセンブリ：
金属基材；
半導体デバイス；並びに
前記半導体デバイスと前記金属基材との間に配置されており、かつこれらに接合されており、複数の中空球及び所定の多孔性を有する金属逆オパール（ＭＩＯ）層を具備している、熱応力補償層。
〈１０〉前記ＭＩＯ層が、第一の表面、第二の表面、並びに前記第一の表面と前記第二の表面との間の段階的な多孔性を含む、態様９に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。
〈１１〉前記ＭＩＯ層が、第一の表面、第二の表面、及び前記第一の表面と前記第二の表面との間の段階的な剛性を含む、態様９に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。
〈１２〉前記複数の中空球が、約５μｍ〜約５０μｍの平均直径を有する、態様９に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。
〈１３〉一対の接合層を更に具備している、態様９に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリであって：
前記ＭＩＯ層が、前記一対の接合層の間に配置されており、かつ前記金属基材及び前記半導体デバイスに遷移的液相（ＴＬＰ）接合されており；かつ
前記一対の接合層の各々が、ＴＬＰ焼結温度より高い融点を有する、
パワーエレクトロニクスアセンブリ。
〈１４〉前記ＭＩＯ層が、前記金属基材及び前記半導体デバイスに、電気めっきで接合されているか、又は無電解めっきで接合されている、態様９に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。
〈１５〉以下を含む、パワーエレクトロニクスアセンブリの製造方法：
金属基材と半導体デバイスとの間に熱応力補償層を配置して、金属基材／半導体デバイスアセンブリを提供すること、ここで、前記熱応力補償層が金属逆オパール（ＭＩＯ）層を具備している；並びに
前記ＭＩＯ層を、前記金属基材及び前記半導体デバイスに接合させること。
〈１６〉前記熱応力補償層が更に、少なくとも一対の接合層を、前記一対の接合層の間に前記ＭＩＯ層が配置されるようにして具備しており、かつ以下を更に含む、態様１５に記載の方法：
前記金属基材／半導体デバイスアセンブリを、約２８０℃〜３５０℃の遷移的液相（ＴＬＰ）焼結温度まで加熱すること、ここで、前記少なくとも一対の接合層が、各々前記ＴＬＰ焼結温度よりも低い融点を有しており、かつ前記ＭＩＯ層が、前記ＴＬＰ焼結温度よりも高い融点を有しており、それによって、前記少なくとも一対の接合層が少なくとも部分的に溶融し、前記ＭＩＯ層と前記金属基材との間、及び前記ＭＩＯ層と前記半導体デバイスとの間に、ＴＬＰ接合を形成するようにする；並びに
前記パワーエレクトロニクスアセンブリを、前記ＴＬＰ焼結温度から冷却すること、ここで、前記ＴＬＰ焼結温度から周囲温度への冷却の間における、前記半導体デバイスと前記金属基材との間の熱収縮不整合を、前記熱補償層が補償する。
〈１７〉前記少なくとも一対の接合層が、第一の対の接合層及び第二の対の接合層を具備しており：
前記第一の対の接合層が、前記ＭＩＯ層と前記第二の対の接合層との間に配置されており；
前記第一の対の接合層の各々が、前記ＴＬＰ焼結温度よりも高い融点を有し；かつ
前記第二の対の接合層の各々が、前記ＴＬＰ焼結温度よりも低い融点を有する、
態様１６に記載の方法。
〈１８〉前記金属基材／半導体デバイスアセンブリを電気めっき浴中又は無電解めっき浴中に配置すること、並びに前記金属基材及び前記半導体デバイスに前記ＭＩＯ層を、電気めっきにより接合するか、又は無電解めっきにより接合することを更に含む、態様１５に記載の方法。
〈１９〉前記ＭＩＯ層が、第一の表面、第二の表面、並びに前記第一の表面と前記第二の表面との間の段階的な多孔性を含む、態様１５に記載の方法。
〈２０〉前記ＭＩＯ層が、第一の表面、第二の表面、及び前記第一の表面と前記第二の表面との間の段階的な剛性を含む、態様１５に記載の方法。

Claims (8)

1. 以下を具備している、パワーエレクトロニクスアセンブリ：
   金属基材；
   半導体デバイス；並びに
   熱応力補償層、
   前記熱応力補償層が、複数の中空球及び所定の多孔性を有する金属逆オパール（ＭＩＯ）層、並びに少なくとも一対の接合層を具備しており、前記ＭＩＯ層が前記少なくとも一対の接合層の間に配置されており、前記少なくとも一対の接合層が、前記半導体デバイスと前記金属基材との間に配置されており、かつ前記半導体デバイス及び前記金属基材に接合されており、
   前記ＭＩＯ層が、第一の表面、第二の表面、並びに前記第一の表面と前記第二の表面との間の段階的な多孔性を含み、かつ
   前記ＭＩＯ層が、ＴＬＰ焼結温度より高い融点を有し、かつ前記少なくとも一対の接合層の各々が、ＴＬＰ焼結温度より低い融点を有する。
2. 前記ＭＩＯ層が、前記第一の表面と前記第二の表面との間の段階的な剛性を含む、請求項１に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリ。
3. 他の一対の接合層を更に具備している、請求項１に記載のパワーエレクトロニクスアセンブリであって：
   前記ＭＩＯ層が、前記他の一対の接合層の間に配置されており、かつ前記金属基材及び前記半導体デバイスに前記少なくとも一対の接合層を介して遷移的液相（ＴＬＰ）接合されており；かつ
   前記他の一対の接合層の各々が、ＴＬＰ焼結温度より高い融点を有する、
   パワーエレクトロニクスアセンブリ。
4. 以下を含む、パワーエレクトロニクスアセンブリの製造方法：
   金属基材と半導体デバイスとの間に、熱応力補償層を配置して、金属基材／半導体デバイスアセンブリを提供すること、ここで、前記熱応力補償層が複数の中空球及び所定の多孔性を有する金属逆オパール（ＭＩＯ）層、並びに少なくとも一対の接合層を具備しており、前記ＭＩＯ層が前記少なくとも一対の接合層の間に配置されており、前記少なくとも一対の接合層が、前記半導体デバイスと前記金属基材との間に配置されており、かつ前記半導体デバイス及び前記金属基材に接合されており、前記ＭＩＯ層が、第一の表面、第二の表面、並びに前記第一の表面と前記第二の表面との間の段階的な多孔性を含む、；並びに
   前記ＭＩＯ層を、前記金属基材及び前記半導体デバイスに接合させること、
   ここで、前記ＭＩＯ層が、ＴＬＰ焼結温度より高い融点を有し、かつ前記少なくとも一対の接合層の各々が、ＴＬＰ焼結温度より低い融点を有する。
5. 以下を更に含む、請求項４に記載の方法：
   前記金属基材／半導体デバイスアセンブリを、２８０℃〜３５０℃の遷移的液相（ＴＬＰ）焼結温度まで加熱すること、ここで、前記少なくとも一対の接合層が、各々前記ＴＬＰ焼結温度よりも低い融点を有しており、かつ前記ＭＩＯ層が、前記ＴＬＰ焼結温度よりも高い融点を有しており、それによって、前記少なくとも一対の接合層が少なくとも部分的に溶融し、前記ＭＩＯ層と前記金属基材との間、及び前記ＭＩＯ層と前記半導体デバイスとの間に、ＴＬＰ接合を形成するようにする；並びに
   前記パワーエレクトロニクスアセンブリを、前記ＴＬＰ焼結温度から冷却すること、ここで、前記ＴＬＰ焼結温度から周囲温度への冷却の間における、前記半導体デバイスと前記金属基材との間の熱収縮不整合を、前記熱応力補償層が補償する。
6. 前記少なくとも一対の接合層が、第一の対の接合層及び第二の対の接合層を具備しており：
   前記第一の対の接合層が、前記ＭＩＯ層と前記第二の対の接合層との間に配置されており；
   前記第一の対の接合層の各々が、前記ＴＬＰ焼結温度よりも高い融点を有し；かつ
   前記第二の対の接合層の各々が、前記ＴＬＰ焼結温度よりも低い融点を有する、
   請求項５に記載の方法。
7. 前記金属基材／半導体デバイスアセンブリを電気めっき浴中又は無電解めっき浴中に配置すること、並びに前記金属基材及び前記半導体デバイスに前記ＭＩＯ層を、電気めっきにより接合するか、又は無電解めっきにより接合することを更に含む、請求項４に記載の方法。
8. 前記ＭＩＯ層が、前記第一の表面と前記第二の表面との間の段階的な剛性を含む、請求項４に記載の方法。

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