特許 6374240 両面パワーモジュールのための液相拡散接合プロセス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6374240

(24)【登録日】2018年7月27日

(45)【発行日】2018年8月15日

(54)【発明の名称】両面パワーモジュールのための液相拡散接合プロセス

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/00 20060101AFI20180806BHJP

   H01L 23/34 20060101ALI20180806BHJP

   H01L 21/60 20060101ALI20180806BHJP

   H05K 3/34 20060101ALI20180806BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/00 310L

   B23K20/00 310M

   H01L23/34 A

   H01L21/60 321E

   H05K3/34 507C

   H05K3/34 512C

【請求項の数】19

【外国語出願】

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-137682(P2014-137682)

(22)【出願日】2014年7月3日

(65)【公開番号】特開2015-24443(P2015-24443A)

(43)【公開日】2015年2月5日

【審査請求日】2017年4月20日

(31)【優先権主張番号】61/843,296

(32)【優先日】2013年7月5日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】13/957,320

(32)【優先日】2013年8月1日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】507342261

【氏名又は名称】トヨタ モーター エンジニアリング アンド マニュファクチャリング ノース アメリカ，インコーポレイティド

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100077517

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 敬

(74)【代理人】

【識別番号】100087413

【弁理士】

【氏名又は名称】古賀 哲次

(74)【代理人】

【識別番号】100128495

【弁理士】

【氏名又は名称】出野 知

(74)【代理人】

【識別番号】100173107

【弁理士】

【氏名又は名称】胡田 尚則

(74)【代理人】

【識別番号】100123593

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 宣夫

(74)【代理人】

【識別番号】100169328

【弁理士】

【氏名又は名称】藤本 健治

(72)【発明者】

【氏名】ユン サン ウォン

(72)【発明者】

【氏名】加藤 武寛

(72)【発明者】

【氏名】塩崎 宏司

【審査官】 岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１７８５１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０３０７５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２１４２９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１０２８１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１７９３３６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２０／００

Ｈ０１Ｌ ２３／３４

Ｈ０１Ｌ ２１／６０

Ｈ０５Ｋ ３／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一の接合材料を電子デバイスと第一の接合対象との間へ配置する工程であって、前記第一の接合材料は、第一の凝固温度を有し、第一の融点を有する第一の材料と前記第一の融点よりも低い第二の融点を有する第二の材料とを含む工程と、
前記第一の接合対象を前記電子デバイスの第一の側と位置合わせする工程と、
前記第二の融点へ温度を上昇させ、前記第二の材料を溶融することにより第一の接合プロセスを開始する工程と、
前記第二の材料が完全に拡散される前に温度を低下させることにより前記第一の接合プロセスを中断する工程と、
第二の接合材料を前記電子デバイスと第二の接合対象との間へ配置する工程であって、前記第二の接合材料は、第二の凝固温度を有し、第三の融点を有する第三の材料と前記第三の融点よりも低い第四の融点を有する第四の材料とを含む工程と、
前記第二の接合対象を前記電子デバイスの前記第一の側とは反対側である第二の側と位置合わせする工程と、
前記第二の凝固温度まで温度を上昇させることにより第二の接合プロセスを開始する工程と、
前記第一の接合材料から第一の接合線を形成することにより前記第二の接合プロセスの間に前記第一の接合プロセスを完了する工程と、
前記第二の接合材料から第二の接合線を形成することにより前記第二の接合プロセスを完了する工程と、
を含む、両面接合のための液相拡散（ＴＬＰ）接合方法。

【請求項2】

前記第一の接合線が、第一の実質的に均質である接合線を含み、前記第二の接合線が、第二の実質的に均質である接合線を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第一の接合材料が、前記第二の接合材料よりも厚い、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記第二の融点へ温度を上昇させることにより前記第一の接合プロセスを開始する工程は、前記第二の接合プロセスの開始前における拡散されない前記第二の材料の量が前記第四の材料の量よりも少ないように前記第二の融点を維持する工程、をさらに含む、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記第一の接合材料が、前記第一の材料の２つの層の間に挟まれた前記第二の材料をさらに含み、前記第二の接合材料が、前記第三の材料の２つの層の間に挟まれた前記第四の材料をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記第一の接合材料が、前記第二の接合材料と同じである、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記電子デバイスが、前記電子デバイスの前記第一の側又は前記電子デバイスの前記第二の側の上に金属層をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記金属層が、金を含む、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記第一の接合対象が、コレクタ板であり、前記第二の接合対象が、エミッタ板である、請求項１に記載の方法。

【請求項10】

前記第一の接合対象又は前記第二の接合対象が、冷却デバイスである、請求項１に記載の方法。

【請求項11】

前記第一の接合対象又は前記第二の接合対象が、電子コンポーネントである、請求項１に記載の方法。

【請求項12】

第一の接合材料を電子デバイスと第一の接合対象との間へ配置する工程であって、前記第一の接合材料は、第一の凝固温度を有し、第一の融点を有する第一の材料と前記第一の融点よりも低い第二の融点を有する第二の材料とを含む工程と、
前記第一の接合対象を前記電子デバイスの第一の側と位置合わせする工程と、
第二の接合材料を前記電子デバイスと第二の接合対象との間へ配置する工程であって、前記第二の接合材料は、第二の凝固温度を有し、第三の融点を有する第三の材料と前記第三の融点よりも低い第四の融点を有する第四の材料とを含み、前記第一の凝固温度は、前記第二の凝固温度よりも低い工程と、
前記第二の接合対象を前記電子デバイスの前記第一の側とは反対側である第二の側と位置合わせする工程と、
前記第二の融点へ温度を上昇させ、前記第二の材料を溶融することにより第一の接合プロセスを開始する工程と、
前記第二の材料が完全に溶融されるまで前記第二の融点を維持する工程と、
前記第一の凝固温度まで温度を上昇させ、前記第一及び第二の材料を拡散させる工程と、
前記第二の凝固温度まで温度を上昇させることにより前記第一の接合プロセスが完了する前に第二の接合プロセスを開始する工程と、
前記第一の接合材料から第一の接合線を形成することにより前記第二の接合プロセスの間に前記第一の接合プロセスを完了する工程と、
前記第二の接合材料から第二の接合線を形成することにより前記第二の接合プロセスを完了する工程と、
を含む、両面接合のための液相拡散（ＴＬＰ）接合方法。

【請求項13】

前記第一の接合線が、第一の実質的に均質である接合線を含み、前記第二の接合線が、第二の実質的に均質である接合線を含む、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記第一の接合材料が、前記第二の接合材料よりも厚い、請求項１２に記載の方法。

【請求項15】

前記第一の接合材料が、前記第一の材料の２つの層の間に挟まれた前記第二の材料をさらに含み、前記第二の接合材料が、前記第三の材料の２つの層の間に挟まれた前記第四の材料をさらに含む、請求項１２に記載の方法。

【請求項16】

前記電子デバイスが、前記電子デバイスの前記第一の側に第一の金属層と、前記電子デバイスの前記第二の側に第二の金属層とをさらに含む、請求項１２に記載の方法。

【請求項17】

第一の接合材料を電子デバイスと第一の接合対象との間へ配置する工程であって、前記第一の接合材料は、第一の凝固温度を有し、第一の材料を含み、前記第一の材料は、第一の融点を有し、前記第一の融点よりも低い第二の融点を有する第二の材料の２つの層の間に挟まれる工程と、
前記第一の接合対象を前記電子デバイスの第一の側と位置合わせする工程と、
前記第一の接合材料から第一の部分完了接合材料を形成するために前記第二の融点まで温度を上昇させる工程と、
第二の接合材料を前記電子デバイスと第二の接合対象との間への配置する工程であって、前記第二の接合材料は、第二の凝固温度を有し、第三の材料を含み、前記第三の材料は、第三の融点を有し、前記第三の融点よりも低い第四の融点を有する第四の材料の２つの層の間に挟まれる工程と、
前記第二の接合対象を前記電子デバイスの前記第一の側とは反対側である第二の側と位置合わせする工程と、
前記第二の凝固温度へ温度を上昇させる工程と、
温度が前記第二の凝固温度である間、前記第一の部分完了接合材料から第一の接合線を形成する工程と、
前記第二の接合材料から第二の接合線を形成する工程と、
を含む、両面接合のための液相拡散（ＴＬＰ）接合方法。

【請求項18】

前記第一の部分完了接合材料を形成した後に、温度を低下させる工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

前記第一の部分完了接合材料が、前記第二の材料の前記２つの層中に部分的に拡散した前記第一の材料を含む、請求項１７に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願の相互参照）
本出願は、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる、２０１３年７月５日出願の米国特許仮出願第６１／８４３，２９６号の利益及び優先権を主張する。本出願には、２０１２年４月１７日出願の米国特許出願第１３／４４８，６３２号の全内容が参照により組み込まれる。

【0002】

本発明は、合金形成、特に、パワーエレクトロニクスにおける液相拡散（ＴＬＰ）接合を用いた両面接合に関する。

【背景技術】

【0003】

パワーデバイス及びその他の電気デバイスの両面接合は、電子デバイスの上部側及び下部側の両方にコンポーネントを取り付けることによって熱的及び電気的性能が改善されたパワーモジュール構造を可能にする。例えば、両面接合は、両面冷却やチップオンチップデザインを可能にする。両面接合には、鉛はんだや無鉛はんだが一般的に用いられる。

【0004】

上部側及び下部側の両方には同じはんだが接合材料として用いられるので、上部側及び下部側の接合材料は同じプロセス温度及び溶融温度を有する。従って、上部側及び下部側は同じはんだプロセスにおいて同時に接合され得る。同時接合には、複数のデバイスを位置合わせして接合する必要があることから、複雑な組み立てプロセスが求められる。例えば、はんだ用の固定具中にパワーデバイス並びに上部及び下部コンポーネントを配置する際、上部コンポーネント及びパワーデバイスが下部コンポーネントを隠して見えなくしてしまう場合があり、それが位置合わせの検査を困難にする。はんだのリフローも、位置ずれをさらに引き起こし得る。別の選択肢として、上部側及び下部側に異なるはんだを用いてもよく、異なるプロセス温度及び溶融温度が必要であるが、逐次接合プロセスが可能となる。まず、デバイスの一方の側がはんだ付けされ、次に、位置合わせの検査がされ、続いて他方の側のはんだ付けが行われる。

【発明の概要】

【0005】

本発明は、概略的にはパワーエレクトロニクスにおける液相拡散（ＴＬＰ）接合を用いた両面接合に関する。種々の実施形態において、電子デバイス用の接合技術の接合品質及び製造信頼性を改善するための技術が開示される。

【0006】

ＴＬＰは、厚さ制限の依存性が低減された、実質的に均質な、迅速で信頼性のある接合線の製造を可能とする。言い換えると、本明細書で開示される技術を用いることで、厚さ制限がなく過剰な接合時間が掛からない、実質的に単一の合金から作られる実質的に均質な接合線を得ることができる。パワーエレクトロニクスのためのより良好で目標とする性能を備えた（より）適切な接合線も得られる。得られた接合が、その接合温度よりも著しく高い再溶融温度（すなわち、維持可能温度）を有することから、ＴＬＰは、シリコン、ＳｉＣ、ＧａＮなどから製造された電子デバイスなどの高温パワー電子デバイスに特に有用であり得る。例えば、ＴＬＰ接合は、少なくとも、自動車（ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車、及び／又は電気自動車を含む）、船舶、航空宇宙、原子力、及び／又はエレクトロニクス産業に適用可能である。ＴＬＰ接合は、適応性が高く、ウェハ同士、ダイとウェハ、ダイと基板、又はダイ同士の接合に少なくとも適用可能である。さらに、このシステムは、従来の製造技術との互換性を有し、両面接合での使用に適応させることができる。

【0007】

本発明の実施形態の特徴及び利点は、図面と合わせて考察されることで、以下に示す詳細な記述からより明らかとなる。当然、これらの図面及びそれらに付随する記述は、請求項の範囲内の構成の例を示すものであって、請求項の範囲を限定するものではない。参照符号が付与された要素間の対応を示すために、図面全体を通して参照符号は再利用される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本発明の１つの実施形態に係る両面接合構造の図を示す。

【図2A】図２Ａは、本発明の１つの実施形態に係るスペーサーを含まない両面冷却構造の図を示す。

【図2B】図２Ｂは、本発明の１つの実施形態に係るスペーサーを含む両面冷却構造の図を示す。

【図3】図３は、本発明の１つの実施形態に係る液相拡散（ＴＬＰ）接合プロセスのフロー図を示す。

【図4A】図４Ａは、本発明の１つの実施形態に係る複数合金接合線の断面図を示す。

【図4B】図４Ｂは、本発明の１つの実施形態に係る複数合金接合線（図４Ａ）から単一合金接合線への遷移の断面図を示す。

【図5A】図５Ａは、本発明の１つの実施形態に係る逐次両面接合プロセスの断面図を示す。

【図5B】図５Ｂは、本発明の１つの実施形態に係る逐次両面接合プロセスの断面図を示す。

【図5C】図５Ｃは、本発明の１つの実施形態に係る逐次両面接合プロセスの断面図を示す。

【図6A】図６Ａは、本発明の１つの実施形態に係る逐次両面接合プロセスの断面図を示す。

【図6B】図６Ｂは、本発明の１つの実施形態に係る逐次両面接合プロセスの断面図を示す。

【図6C】図６Ｃは、本発明の１つの実施形態に係る逐次両面接合プロセスの断面図を示す。

【図6D】図６Ｄは、本発明の１つの実施形態に係る逐次両面接合プロセスの断面図を示す。

【図7】図７は、本発明の１つの実施形態に係る図６の逐次両面接合プロセスのプロセスプロファイルの図を示す。

【図8A】図８Ａは、本発明の１つの実施形態に係る異なる厚さの接合材料を用いた逐次両面接合プロセスの断面図を示す。

【図8B】図８Ｂは、本発明の１つの実施形態に係る異なる厚さの接合材料を用いた逐次両面接合プロセスの断面図を示す。

【図8C】図８Ｃは、本発明の１つの実施形態に係る異なる厚さの接合材料を用いた逐次両面接合プロセスの断面図を示す。

【図9A】図９Ａは、本発明の１つの実施形態に係る同時両面接合プロセスの断面図を示す。

【図9B】図９Ｂは、本発明の１つの実施形態に係る同時両面接合プロセスの断面図を示す。

【図9C】図９Ｃは、本発明の１つの実施形態に係る同時両面接合プロセスの断面図を示す。

【図9D】図９Ｄは、本発明の１つの実施形態に係る同時両面接合プロセスの断面図を示す。

【図10】図１０は、本発明の１つの実施形態に係る図９の同時両面接合プロセスのプロセスプロファイルの図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下の詳細な記述において、本発明の理解のために、数多くの具体的な詳細事項が示される。しかし、これらの具体的な詳細事項の一部がなくても、本発明の要素を実施し得ることは当業者には明らかである。他の場合では、本発明を不必要に分かりにくくすることを避けるために、公知の構造及び技術については詳細に示していない。

【0010】

本発明は、概略的にはパワーエレクトロニクスにおける液相拡散接合を用いた接合の改善に関する。液相拡散（ＴＬＰ）接合は、ベース材料の特性とは異なる微小構造的、従って機械的な特性を有する接着部を作り出す。ＴＬＰ接合は、接合温度にて融点降下元素が中間層から基材の結晶格子及び結晶粒界へ移動する際に拡散が発生するという点ではんだとは異なる。固体拡散プロセスは、接合界面での組成の変化を引き起こし、１つの親材料は低溶融温度を有し、溶融して中間層として作用するものであり、別の親材料は高融点を有する。従って、高溶融温度の親材料の融点よりも低い温度にて、液体の薄層が界面に沿って広がり、接着部を形成する。接合温度を低下させると溶融物の凝固が引き起こされるが、この溶融相を接合温度にて保持すると、その後この相を親材料中へ拡散させることができる。

【0011】

両面接合では、高性能パワーモジュール及びその他の電子デバイスを作製することができる。両面接合は、コンポーネントが電子デバイスの上部側及び下部側の両方に取り付けられる技術を意味する。図１は、デバイス１１０を含む両面接合構造１００を示す。デバイス１１０は、上部金属層１２０が載置される上部側１１２を有する。デバイス１１０はまた、下部金属層１３０が載置される下部側１１４も有する。上部側接合材料１４０は、上部側接合対象１６０を上部側１１２に接合する。同様に、下部側接合材料は、下部側接合対象１７０を下部側１１４に接合する。

【0012】

従来から、両面接合には、はんだによる同時接合プロセスが用いられている。上部側接合材料１４０及び下部側接合材料１５０は、同じはんだである。はんだは、上部側１１２及び下部側１１４の両方に適用され、上部側接合対象１６０及び下部側接合対象１７０は、それぞれ、上部側１１２及び下部側１１４上に配置される。両面接合構造１００は、はんだを活性化させるための処理を受ける。しかし、リフロー及びその他のずれの問題並びに精密なプロセス制御を考慮すると、両面を同時に信頼性高くはんだ付けすることはできない。

【0013】

同時接合ほど一般的ではないが、はんだは、逐次接合プロセスにも用いられ得る。上部側接合材料１４０及び下部側接合材料１５０は、異なる溶融温度を有するはんだである。デバイス１１０は、第一の側の接合のための固定具（図示せず）中に配置される。本開示全体を通して、下部側は、第一に接合される側として記載される。しかし、そうではなく、上部側が第一に接合されてもよく、すなわち下部側又は上部側のいずれかが第一の側であり、逆側が第二の側であってもよい。下部側１１４は、下部側接合対象１７０にはんだ付けされる。上部側接合対象１６０が、下部側１１４の位置合わせの検査を行い難くするか、又は妨害し得ることから、第二の側の接合の前に、デバイス１１０は、下部側接合対象１７０の位置合わせについて検査される。デバイス１１０は、検査のために固定具から取り出され、その後、上部側１１２のはんだ付けのために固定具へ戻されてもよい。この種の逐次接合では、上部側接合材料１４０及び下部側接合材料１５０は異なるはんだであるが、それは、下部側（第一の側）のプレ接合が上部側（第二の側）の接合の過程にて溶融し、損傷を受けてしまうかもしれないからである。

【0014】

図２Ａ及び２Ｂは、両面接合構造の例を示す。図２Ａは、両面接合構造２００を示す。図２Ａにおいて、ダイ２１０は、ダイアタッチ２１５を介して絶縁基板２２０と両面接合される。ダイ２１０は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、ダイオード又はその他の電子コンポーネントであってよく、絶縁基板２２０は、直接接合銅（ＤＢＣ）基板、直接接合アルミニウム（ＤＢＡ）基板又は活性金属ろう付け（ＡＭＢ）基板であってよい。基板２２０は、さらに、クーラーアタッチ２２５を介して冷却板２３０と接続される。

【0015】

図２Ｂは、スペーサー２６３を有する両面接合構造２５０を示す。図２Ｂでは、ダイ２６０は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ダイオード、又はその他の電子コンポーネントであってよいが、はんだ２６５を介して下部側のコレクタ板２８０と接続される。上部側では、ダイ２６０は、スペーサー２６３へはんだ付けされ、これはさらに、エミッタ板２７０へはんだ付けされる。

【0016】

ＴＬＰ接合は、例えば、はんだ付けプロセスをこれに置き換えることで、両面接合に適用することができる。上述のように、ＴＬＰ接合は、はんだ付けよりも高い再溶融温度を有する。はんだ付けとは異なり、ＴＬＰは、さらに、同時又は逐次接合の選択肢を提供する。接合材料及びその厚さは、用途に適するように選択されてよい。ＴＬＰはさらに、デバイスとは異なる材料で作製されたスペーサーなど、様々な種類の材料への接合も可能とする。図３は、ＴＬＰ接合を利用したシステム及び方法３００を示す。

【0017】

ＴＬＰ接合は、再溶融温度（すなわち、維持可能温度）が、接合温度又は拡散／凝固温度よりも著しく高いことから、ハイパワー半導体デバイスに有効であり得る。ＴＬＰは、多くの電子デバイスに、特に、シリコン、ＳｉＣ、ＧａＮなどから作製される高温パワー電子デバイスに有用である。

【0018】

ＴＬＰの概略を図３に示す。一般的に、ＴＬＰ接合には、２つ（又は複数）の材料が関与する。示されるように、材料Ａ３１０（高溶融温度を有する）及び中心材料とも称される材料Ｂ３２０（材料Ａ３１０の溶融温度に対して低い溶融温度を有する）と表示される２つの材料である。材料Ａ３１０及び材料Ｂ３２０（中心材料）はいずれも、純粋な組成である必要がないことは理解されるべきである。図３の工程２に示されるように、接合温度の上昇に従って、材料Ｂ３２０は溶融し、材料Ａ３１０へ拡散し始める。拡散した材料は、材料Ｂ３２０と逐次に反応し、等温凝固により合金を形成し得る。凝固は、図３の工程４に示されるように、接合線がＡ＋Ｂ合金の完全なセットとなるまで継続され得る（例：均質な接合線）。ＴＬＰ接合プロセスの過程にて、機械的圧力（３ｋＰａから１ＭＰａのような数ｋＰａから数ＭＰａの範囲など）が印加されてもよい。

【0019】

いくつかのＴＬＰ材料では、図３の工程５に示されるように、複数のＡ＋Ｂ合金が、複数の化合物を生成するが、これは不均質な接合線をもたらす。この不均質な接合線は、生産において問題を提起し得るその不均一性、不整合性、非制御性及び品質の不確実性のために、多くの場合、理想的ではないと見なされる。例えば、銅−スズ（Ｃｕ−Ｓｎ）は、複数のＣｕ‐Ｓｎ化合物（又は合金）を生成し得るＴＬＰ材料である。銅及びスズはいずれも、パワーエレクトロニクス材料として広く用いられていることから、様々な実施形態において、本開示の方法３００は、不均質な接合線形成を最小限に抑えるように構成される。

【0020】

一般的に、パワーエレクトロニクスでは高電力で使用されたり高温が発生したりするため、利用可能な複数の合金のうちの特定の合金は、伝導性の接合線のようなパワーエレクトロニクス用途に、より適していることがある。例えば、Ｃｕ₃Ｓｎ合金は、Ｃｕ₆Ｓｎ₅と比較した場合、両合金ともにＣｎ−ＳｎＴＬＰ接合プロセスの過程で生成されるが、より高い電気伝導性を有する（Ｃｕ₃Ｓｎは、合金Ｂ＋に相当し、Ｃｕ₆Ｓｎ₅は、合金Ａ＋に相当する）。従って、パワーエレクトロニクスの場合、目標が、好ましい材料（例：Ｃｕ₆Ｓｎ₅合金ではなくＣｕ₃Ｓｎ合金）から成る均質な接合線を生成するプロセスを利用することである場合があり得る。上記で開示される必要条件は、開示されるシステム及び方法３００により上手く満たされる。加えて、以下の表１は、追加の接合材料に関する非網羅的なリストを示す。

【表1】

【0021】

種々の実施形態では、方法３００は、単一の合金から成る均質な接合線を実現するために用い得る。例えば、単一の合金は、パワーエレクトロニクス用途を目標とする性質に基づいて実現され得る。１つの合金の例は、Ｃｕ₃Ｓｎであり、これは、Ｃｕ₆Ｓｎ₅などのその他の合金と比較して、パワーエレクトロニクスにより適している。方法３００は、厚い接合線を作製するように構成されてよく、これは、高温によって引き起こされる接合線の応力を低減するのに有利である。また、大量生産を補助するために、本システムは、長い接合時間を要さず、製造条件への依存性も低い。例えば、方法３００の接合プロセスは、約３０分間から約２時間である。方法３００は、接合されたデバイスに対して、非常に優れた接触並びに良好な電気及び熱伝導性を提供し、従って、従来技術と比較して、デバイス性能及び接合品質を向上させる。

【0022】

複数の構造及び製造の選択肢が提案される。様々な材料が用いられてよい。また、材料表面の前処理が実施されてもよい。この多様性により、柔軟な設計及び製造プロセス並びに両面接合のような多くの用途へのこの技術の容易な変換が可能となる。

【0023】

図４Ａ及び４Ｂは、複数合金接合線から単一合金接合線への遷移の断面図を示す。図４Ａの接合状態４００において、材料Ｂが第一の合金４１０、Ａ＋Ｂ合金へ変換されていることから、接合プロセスは、完了状態であり得る。図３の工程５と同様に、拡散が完了していないことから、第一の合金４１０は、大よそ第二の合金４２０の２つの層に挟まれている。接合状態４００における接合線は均質ではないが、不均質な接合線は適切な接合を形成している。図４Ｂの接合状態４５０では、２つの材料は単一の合金、第二の合金４２０を形成するように材料は十分に拡散している。接合状態４５０の均質な接合線は、図４Ａの不均質な接合線よりも強い接合を提供することができる。

【0024】

図５Ａ〜５Ｃは、ＴＬＰ接合を用いた逐次両面接合プロセス５００を示す。図５Ａでは、デバイス５１０は、上部側金属層５２０が載置される上部側５１２と、下部側金属層５３０が載置される下部側５１４とを有する。上部側金属層５２０及び下部側金属層５３０は、同じ又は異なる、金属又は金属合金を含んでよく、あるいは、別の金属上の金の薄層のような２つ以上の金属を含んでよい。下部側接合材料５５０は、上述のように第二の材料の２つの層間に挟まれる第一の材料のような適切なＴＬＰ材料であり得るが、下部側金属層５３０と下部側接合対象との間に適用される。下部側５１４は、その後、第一の接合が完了する（すなわち、図３における工程４又は５のように第一の材料が合金を形成する）ように処理される。

【0025】

図５Ｂにおいて，第一の接合の完了後、第二の接合が開始される。上部側接合材料５４０は、上述のように適切なＴＬＰ材料であり得るが、上部側金属層５２０と上部側接合対象５６０との間に適用される。図５Ｃにおいて、第二の接合が完了し、これで両面接合が完了する。

【0026】

この逐次プロセスは、新たな合金の溶融温度がプロセス温度よりも高く、従って、予め接合された接合線を損傷することなく、接合プロセスを繰り返すことができることから、実行可能である。図５Ｃにおいて、下部側接合材料５５０は、上部側接合材料５４０の接合プロセスによって損傷されない。しかし、溶融、拡散及び凝固を必要とするために、接合時間自体がはんだ付けよりも長いこと、並びに、接合プロセスが２回行われることにより、この逐次プロセスは、はんだ付けによる逐次プロセス、又は、ＴＬＰ若しくははんだ付けによる同時接合よりも長い時間を要する。加えて、接合線品質の制御が困難であり得るか、又は、合金の適切な比率を確保して所望の接合線を形成するために非常に長い接合時間を要する。

【0027】

本発明は、プロセス温度に対してより高い再溶融温度を利用し、第二の接合からの熱量を共用することで第一の接合を完了する。熱量の共用という概念は、同じＴＬＰ材料の組み合わせが用いられる場合及び異なるＴＬＰ材料（又は厚さ）の組み合わせが用いられる場合の両方に適用可能である。図６Ａ〜６Ｄ、８Ａ〜８Ｃ及び９Ａ〜９Ｄに関する、以下で考察する種々の実施形態では、デバイスは、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ダイオードなどのパワーモジュール又はその他の半導体デバイスなどの電子デバイスであってよい。金属層は、別々の層又は合金として、１つ以上の金属であってよく、これらは、電気及び／又は熱伝導性であってよい。加えて、金属層は、金のような別の金属の薄層でメッキされていてよい。接合対象は、さらなる電子デバイス若しくはコンポーネント又は別の選択肢として冷却デバイスであってよい。接合材料は、表１の材料の組み合わせのようなＴＬＰに適する材料の組み合わせであってよい。

【0028】

図６Ａ〜６Ｄは、逐次両面接合プロセス６００を示し、ここでは、両面に同じＴＬＰ材料の組み合わせが用いられる。図６Ａにおいて、デバイス６１０は、上部側金属層６２０が載置される上部側６１２と、下部側金属層６３０が載置される下部側６１４とを有する。下部側接合材料６５０、例えば適切なＴＬＰ材料が、下部側金属層６３０と下部側接合対象６７０との間に適用される。しかし、図５とは異なり、図６Ｄにおいて部分完了下部側接合材料６５５で示されるように、第一の接合は完了していない。部分完了下部側接合材料６５５は、完全に接合されておらず、図４Ａのような２つの合金ではなく、１つの合金と親材料とを含んでいる。言い換えると、第一の接合プロセスは、下部側接合材料６５０の変換が完了する前に停止される。

【0029】

図６Ｂでは、上部側接合プロセスが行われる。上部側接合材料６４０は、下部側接合材料６５０と同じ材料であり、上部側金属層６２０と上部側接合対象６６０との間に適用される。図６Ｃでは、下部側接合材料６５０及び上部側接合材料６４０の両方が、第二の接合プロセスの結果として、完全に接合されている。第二の接合は、第一の接合と同じプロセスであることから、部分完了下部側接合材料６５５は、第二の接合プロセスの過程にて、溶融、拡散及び凝固のプロセスを再開する。第二の接合は、上部側接合材料６４０の変換も完了する。第一の接合プロセスは、元々、完了まで実施されないため、この逐次プロセスでは、必要とされる合計接合時間が短縮される。加えて、接合プロセスの完了時点にて、均質な接合線が形成され得るが、他の実施形態では、接合プロセスは、不均質接合線の状態で終了されてもよい。

【0030】

図７は、両面接合プロセス６００のプロセスプロファイル７００を示す。プロセスプロファイル７００は、概念図を表しており、スケールを合わせて描かれてはいない。下部側接合対象６７０がデバイス６１０と位置合わせされ、固定具又は接合の過程にてデバイス６１０を固定するための他の適切な手段の内部に配置された後、第一の接合プロセスが、期間７４０にわたる溶融温度７１０への温度の上昇によって開始される。次に、温度が、期間７４５にわたって第一の凝固温度７２０まで上昇される。第一の凝固温度は、下部側接合材料６５０の変換（すなわち拡散及び凝固）が完了するほどの充分に長い時間は維持されず、その結果、部分完了下部側接合材料６５５が得られる。

【0031】

期間７７０の間に、温度が低下される。部分完了下部側接合材料６５５は、完全に変換されてはいないが、接合を作り出すには充分な材料が溶融され、拡散されている。デバイス６１０は、所望に応じて、位置合わせの確認のために取り出されもよい。

【0032】

次に、デバイス６１０は、固定具に戻されて、第二の接合プロセスが開始され得る。温度が再度溶融温度７１０まで上昇されるが、それは上部側接合材料６４０が下部側接合材料６５０と同じであるからであり、すなわち同じプロセス温度が用いられてよい。溶融温度７１０は、期間７５０の間維持される。この時間の過程にて、部分完了下部側接合材料６５５は、損傷を受けず、むしろその溶融プロセスが継続される。

【0033】

次に、温度は、第二の凝固温度７３０と称される拡散／凝固温度７３０まで上昇される。第二の凝固温度７３０は期間７６０の間保持され、これは部分完了下部側接合材料６５５及び上部側接合材料６４０が完全に変換されるのに充分である。期間７６０が繰り返されないことから（すなわち期間７４５は期間７６０未満である）、合計プロセス時間は大きく短縮される。

【0034】

その他のＴＬＰ材料の組み合わせや、厚さの変更などの変更が用いられ得る。図８Ａ〜８Ｃの逐次両面接合プロセス８００は、１つの側（下部側であるが、他の実施形態では上部側）が、他方の側よりも厚い接合厚さを必要とする１つの実施形態を示す。図８Ａでは、デバイス８１０は、上部側金属層８２０が載置される上部側８１２と、下部側金属層８３０が載置される下部側８１４とを有する。下部側接合材料８５０は、下部側金属層８３０と下部側接合対象８７０との間に適用される。下部側接合材料８５０は、上部側金属層８２０と上部側接合対象８６０との間に適用される上部側接合材料８４０よりも厚い。

【0035】

図６Ａと同様に、図８Ａにおいて、第一の接合プロセスが開始される。しかし、第一の接合時間は、図８Ｂから分かるように、部分完了下部側接合材料８５５中の残留又は未変換の中心材料（すなわち、図３の材料Ｂ）の量が、上部側接合材料８４０中の中心材料（すなわち、図３の材料Ｂ）の量よりも少なくなるように調節される。このことにより、図８Ｃから分かるように、第二の接合プロセスからの熱エネルギーが、第一の接合プロセスを完了するのに充分であることが確保される。

【0036】

逐次プロセスは、プロセス時間を短縮するものであるが、同時プロセスは、さらによりプロセス時間を短縮し得る。図９Ａ〜９Ｄは、同時両面接合プロセス９００を示す。デバイス９１０は、上部側金属層９２０が載置される上部側９１２と、下部側金属層９３０が載置される下部側９１４とを有する。図９Ａから分かるように、上部側接合対象９６０及び下部側接合対象９７０の両方は、それぞれ、上部側接合材料９４０及び下部側接合材料９５０上に位置合わせされる。下部側接合材料９５０は、上部側接合材料９４０よりも低い接合温度を有するが、他の実施形態では、これが逆であってもよい。

【0037】

図１０は、同時両面接合ＴＬＰプロセス９００のプロセスプロファイル１０００を示す。プロセスプロファイル１０００は、スケールを合わせて描かれてはいない。図９Ａにおいて、位置合わせ後、温度が、期間１０４０にわたって、下部側接合材料９５０（特に、中心材料）の溶融温度１０１０（低い方の温度）に上昇される。溶融温度１０１０は、下部側接合材料９５０の中心材料及び上部側接合材料９４０の中心材料が完全に溶融されるまで維持される。

【0038】

図９Ｂにおいて、その後、温度は、第一の材料、下部側接合材料９５０の拡散／凝固温度である第一の凝固温度１０２０まで上昇される。第一の凝固温度１０２０は、期間１０５０の間保持され、これによって、下部側接合材料９５０の拡散及び反応が可能となる。しかし、部分完了下部側接合材料９５５によって示されるように、第一の接合は、第二の接合プロセスが開始されるまで完了しない。

【0039】

温度は、上部側接合材料９４０の拡散／凝固温度である第二の凝固温度１０３０まで上昇される。第二の凝固温度１０３０は、期間１０６０の間維持され、これは、図９Ｃから分かるように、第一及び第二の接合プロセスを完了するのに充分な時間である。

【0040】

図７と比較すると、図１０は、第一の部分凝固のための期間７４５及び接合プロセスの間の期間７７０が存在しない。さらに、第一の接合プロセスが、第二の接合プロセスの熱エネルギーを利用することから、合計プロセス時間は短縮される。第二の接合プロセスの温度が高められることで、第一の接合プロセスの拡散及び反応速度がさらに上昇する。従って、同時両面接合プロセスでは、逐次両面接合プロセスと比較して、プロセス時間が改善され得る。

【0041】

本発明の利点は、これらに限定されないが、逐次又は同時接合プロセスの間での選択による個別化の行い易さ、新たな材料、構造又はプロセスを導入することのない接合時間の大幅な短縮（大量生産の場合に特に有利）、及び、製造条件への依存性の低減及び長い接合時間が不要であること（これも大量生産の場合に重要）が挙げられ、デバイス性能さらには接合品質を確保する、接合されたデバイスに対する非常に優れた接触並びに良好な電気及び熱伝導性、製造プロセス設計における柔軟性及び多くの用途への適用性を可能とする、異なる材料の使用又は材料表面の前処理の実施という選択肢、並びに、従来の製造技術との互換性、を提供する。

【0042】

当業者であれば、本明細書で開示される例と関連して記載される種々の説明のための論理ブロック及びプロセス工程が、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア又はこれらの組み合わせとして実施されてよいことは理解される。そのような機能がハードウェア又はソフトウェアとして実施されるかは、システム全体に課される特定の用途及び設計に関する制限に依存する。当業者であれば、各特定の用途について、記載の機能を様々な方法で実施することができるが、そのような実施の決定は、開示される装置及び方法の範囲から逸脱させるものとして解釈されるべきではない。

【0043】

本明細書で開示される例と関連して記載される方法又はアルゴリズムの工程は、直接、ハードウェアにて、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールにて又はこれら２つの組み合わせにて実現されてよい。ソフトウェアモジュールは、ＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ‐ＲＯＭ又はその他の本技術分野で公知の記憶媒体のいずれかの形態に保存されていてよい。代表的な記憶媒体は、プロセッサが記憶媒体から情報を読み取り、情報を書き込むことができるように、プロセッサと接続されている。別の選択肢として、記憶媒体は、プロセッサと一体化されていてよい。プロセッサ及び記憶媒体は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）中に配置され得る。

【0044】

開示される例としての実施形態の前述の記載は、当業者が、本発明を作製又は使用できるように提供されるものである。これらの例に対する種々の改変は、当業者には容易に明らかであり、本明細書で開示される原理は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、その他の例に適用され得る。記載の実施形態は、すべての点において、単に説明のためのものであって、限定するものではないと見なされるべきであり、本発明の範囲は、従って、前述の記載によってではなく、以下の請求項によって示される。請求項の意味、及び均等性の範囲内に含まれるすべての変形は、それらの範囲内に包含されることになる。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】

【図10】