(57)【要約】【課題】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。【解決手段】熱電変換モジュールの要部において、Ｐ型熱電素子４２１およびＮ型熱電素子４２２のそれぞれが、応力緩衝材（接続材料）２１を介して電極１１と接続されている。応力緩衝材２１は、Ａｌ層２１１と、Ｎｉ層２１３と、ＡｌとＮｉとからなるＡｌ−Ｎｉ合金層２１２と、を有しており、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。さらに、Ａｌ層２１１におけるＡｌの含有率は、９９ａｔ％以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ層と、
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％以上である、接続材料。
【請求項２】
請求項１に記載の接続材料において、
さらに、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２合金層は、前記Ｎｉ層に接続されている、接続材料。
【請求項３】
請求項１に記載の接続材料において、
前記Ａｌ層の厚さは、１００〜５００μｍである、接続材料。
【請求項４】
請求項１に記載の接続材料において、
前記Ｎｉ層の厚さは、１〜１００μｍである、接続材料。
【請求項５】
複数の熱電素子と、
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ている、熱電変換モジュール。
【請求項６】
請求項５に記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記接続材料は、さらに、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。
【請求項７】
請求項５に記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記Ａｌ層の厚さは、１００〜５００μｍである、熱電変換モジュール。
【請求項８】
請求項５に記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記Ｎｉ層の厚さは、１〜１００μｍである、熱電変換モジュール。
【請求項９】
請求項５に記載の熱電変換モジュールにおいて、
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。
【請求項１０】
半導体素子と、
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ている、電子装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電子装置において、
前記接続材料は、さらに、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２合金層は、前記Ｎｉ層に接続されている、電子装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の電子装置において、
前記Ａｌ層の厚さは、１００〜５００μｍである、電子装置。
【請求項１３】
請求項１０に記載の電子装置において、
前記Ｎｉ層の厚さは、１〜１００μｍである、電子装置。
【請求項１４】
請求項１０に記載の電子装置において、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１２６２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【発明の効果】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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る。
【図２】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３】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４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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。
【図１５】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。
【図１６】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。
【図１７】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。
【図１８】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１９】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２０】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２１】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２２】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である。
【図２３】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。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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）。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
（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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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×）。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
（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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
（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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【符号の説明】
【００７３】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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