CN102969306B - 电源模块及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供电源模块及其制造方法。在电源模块的超声波接合导线与基板布线图案的构造中，能够防止绝缘基板的损伤而良好地接合大面积的接合面，并兼具良好的散热性。电源模块具有：在表面形成有多个布线图案的基板；搭载于该基板上而与多个布线图案中的一部分布线图案电连接的半导体元件；以及具有与多个布线图案中的其他的布线图案电连接的导线的端子部，该电源模块构成为，端子部的导线层叠含有与其他的布线图案的材料同等或比其柔软的材料的多个金属部件而构成，并且通过超声波接合，多个金属部件中与其他的布线图案的材料同等或比其柔软的材料，与其他的布线图案电连接。

Description

电源模块及其制造方法

技术领域

本发明涉及利用超声波接合来连接导线的电源模块及其制造方法。

背景技术

以往的电源模块构成为，在由陶瓷等构成的绝缘基板上形成由铜等构成的布线图案，搭载多个半导体元件并收纳于模块内。在这样的电源模块中，在各半导体元件的电极与布线图案或布线图案间、布线图案与外部连接用导线等的连接中使用引线接合法，为了使大电流流动而并列接合多条电线的方法例如在日本特开2007-67342号公报（专利文献1）所记载。

近几年，为了满足电源模块的小型化的要求而设计了使用能够使连接占有面积比引线接合法时的面积小的板状的导线的方法。作为板状的导线的连接方法，有使用超声波的方法。对于超声波接合（超声波连接）板状的导线的情况而言，例如在日本特开2010-40714号公报（专利文献2）、日本特开2010-82668号公报（专利文献3）、日本特开2010-212645号公报（专利文献4）以及日本特开2011-61105号公报（专利文献5）等所记载。

对于超声波接合板状的导线的方法而言，在布线图案上设置导线，由接合工具从其导线上一边施加规定的载荷一边进行按压，并以规定的频率沿水平方向超声波振动。利用载荷与超声波振动（振幅）来将金属表面的污垢或氧化膜除去并进行接合。

另外，伴随着大电流化，布线图案与导线的连接面积变大。若连接面积变大，则为了进行良好的接合，需要增大按压的载荷、超声波振动的振幅，从而导致绝缘基板的损伤的可能性变高。

作为防止绝缘基板的损伤的技术，在专利文献2中记载有，接合部件以及被接合部件以铜为主要成分，并在接合部件与被接合部件的接合面之间夹有以锡为主要成分的锡层，在夹着锡层的状态下使接合部件压接在被接合部件上，并在常温下向接合部件施加超声波振动。

另外，在专利文献3中记载有如下构成，即，在端子的端部与布线之间设置树脂层，而缓和超声波接合时的力。

另外，在专利文献4中记载有，在端子的端部与电极连接盘之间设置柔软的、或高滑动性的薄的缓冲金属层，由此在超声波接合时，防止因端子的端部而在连接盘（pad）产生磨损、龟裂。

另一方面，在专利文献5中记载有，在连接盘上形成比连接盘以及导线端子硬的涂层，由此在超声波接合时，涂层被破坏而利用塑性流动来连接导线端子与连接盘。

专利文献1：日本特开2007-67342号公报

专利文献2：日本特开2010-40714号公报

专利文献3：日本特开2010-82668号公报

专利文献4：日本特开2010-212645号公报

专利文献5：日本特开2011-61105号公报

在记载有超声波接合板状的导线的方法的专利文献2的方法中，将接合部件（导线）与被接合部件（基板布线图案）的材质限定为铜，而没有考虑与其他材质的组合。

另外，使用在接合面上设置锡层接合的方法，虽然锡层的大部分云状地分散在铜中但还会残留一部分锡层。电源模块有根据之后的制造检查工序、使用环境或者使用条件而成为高温状态的情况。在这样的高温状态下，有如下问题，即、在接合面上残留的一部分的锡层软化而成为接合部界面的强度降低的原因。

另外，在专利文献3所记载的方法中，存在如下问题，即、设于端子的端部与布线之间的树脂层通过进行超声波接合而断开，从而因在端子与布线之间扩散而使端子与布线的金属间接触面积减少，作为结果而导致连接部的电阻的上升。

进一步，在专利文献4所记载的方法中，虽然在超声波接合的初期缓冲金属层能够防止接合盘的磨损、龟裂的产生，但是并没有考虑在接合盘与电极的接触面积变大的情况下，在没有缓冲金属层的部分防止接合盘的磨损、龟裂的产生。

更进一步，在专利文献5所记载的方法中，超声波接合时，由于是导线端子与接合盘利用塑性流动在形成于接合盘上的比接合盘以及导线端子更硬的涂层的破裂的部分进行连接的方式，因此在接合盘与电极的接触面积增大的情况下，残留于接合盘和导线端子之间的涂层妨碍接合盘与导线端子之间的金属接合，其结果，有可能使接合盘与导线端子之间的连接阻抗变高，或者使连接的可靠性降低。

发明内容

本发明的目的在于提供如下电源模块及其制造方法，即，解决上述记载的现有技术的缺点，并在进行使布线图案与导线的金属彼此连接的超声波接合时，能够不损伤绝缘基板而进行大面积的良好的接合。

为了解决上述的现有技术的课题，在本发明中，电源模块具备：基板，其在表面形成有多个布线图案；半导体元件，其搭载于该基板上而与多个布线图案中的一部分布线图案电连接；以及端子部，其具有与多个布线图案中的其他的布线图案电连接的导线，上述电源模块构成为，端子部的导线层叠含有与其他的布线图案的材料同等或比其柔软的材料的多个金属部件而构成，并且通过超声波接合，多个金属部件中与其他的布线图案的材料同等或比其柔软的材料，与其他的布线图案电连接。

另外，为了解决上述的以往技术的课题，在本发明中，电源模块的制造方法在表面形成有多个布线图案的基板上搭载半导体元件，在多个布线图案中的一部分布线图案上电连接半导体元件，并在该状态下的基板的多个布线图案中的其他的布线图案上电连接端子部的导线，并且，端子部的导线层叠含有与其他的布线图案的材料同等或比其柔软的材料的多个金属部件而构成，在使该多个金属部件中与其他的布线图案的材料同等或比其柔软的材料接触于其他的布线图案的状态下，对端子部的导线与其他的布线图案进行超声波接合，由此电连接端子部的导线与其他的布线图案。

根据本发明，能够与大电流化对应地防止绝缘基板的损伤而进行大面积的接合。另外，能够防止因温度上升而引起的接合部的强度降低。

上述以外的课题、构成以及效果通过以下的实施方式的说明来明确。

附图说明

图1是电源模块的立体图的例子。

图2是电源模块的展开图的例子。

图3A是表示实施例1的电源模块的超声波接合前的状态的电源模块的导线接合部附近的剖视图的例子。

图3B是表示实施例1的电源模块的超声波接合中的状态的电源模块的导线接合部附近的剖视图的例子。

图3C是表示实施例1的电源模块的超声波接合后的状态的电源模块的导线接合部附近的剖视图的例子。

图4是说明实施例1的电源模块的超声波接合的顺序的流程图。

图5是实施例2的电源模块的超声波接合部附近的剖视图的例子。

图中：

5—布线图案，7、70—导线，7a、70a—材质A，7b、70b—材质B，8—工具，9—突起部。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的实施例进行说明。

实施例1

图1表示本实施例的电源模块100的立体图。在图中，符号20是基座，根据散热性的观点，主要由热传导性良好的铝、铜或者铜合金等金属作成。符号21是壳体，主要根据形状的复杂程度作为材质而使用塑料。基座20与壳体21通过螺钉或粘合剂等固定。在基座20上搭载有基板3，在其上部配置有具有多个导线7的端子部25，基板3与端子部25的导线7通过超声波接合来连接。在壳体21上设置有在与外部端子（未图示）连接时使用的螺纹孔22，并还设置有信号导线23。

图2是图1所说明的电源模块100的展开图的例子。端子部25由正极连接端子25a、负极连接端子25b、交流连接端子25c三个端子部件构成，并在各端子部件之间设置有绝缘部件26a、26b，而成为相互绝缘的状态。根据耐压的观点，绝缘部件26a、26b设计成比各端子部件25a、25b、25c稍大，材质使用无纺布或塑料等。在基板3上形成有布线图案5，在该布线图案5上搭载有多个半导体元件27。虽然因使图变繁琐而未记载于图中，但通常在布线图案5或半导体元件27、信号导线23等的电连接中使用多条电线。主要作为材质使用铝并使用直径0.3~0.5mm的电线。

在正极连接端子25a的端部形成有正极连接部251a，在组装于壳体21的图1的状态下，通过形成于壳体21的正极连接端子部28a与未图示的外部端子连接。另外，在负极连接端子25b的端部形成有负极连接部251b，在组装于壳体21的图1的状态下，通过形成于壳体21的负极连接端子部28b与未图示的外部端子连接。另外，在交流连接端子25c的端部形成有交流连接部251c，在组装于壳体21的图1的状态下，通过形成于壳体21的交流连接端子部28c与未图示的外部端子连接。

接下来，使用图3A至图3C，对图1以及图2所示的电源模块100的端子部25的导线与形成于基板3的布线图案5的连接部的构造进行说明。

图3A是本实施例的电源模块100的超声波接合部附近的剖视图的例子，表示载置于作为未图示的超声波连接装置的承接件的砧座的状态。

符号1是基座，相当于图1以及图2所说明的基座20。在基座1上经由焊剂2而连接有基板3。基板3具有：由陶瓷等构成的绝缘基板4；在该绝缘基板4的一面侧与焊剂2接合的金属图案6；以及在与形成有该金属图案6的面相反的面一侧形成的由铜构成的布线图案5。为了利用焊剂2与基座1接合，在与绝缘基板4的基座1对置侧的比较宽的面积或者全面形成金属图案6。在铜的布线图案5上，接合有正极连接端子25a或者负极连接端子25b又或者交流连接端子25c的导线7。

导线7整体由材质A：7a与材质B：7b两种板的合板构成。另外，材质B：7b的硬度比材质A：7a的硬度小，成为易变形的构造。另外，根据散热性，对于构成导线7的体积比率而言，热传导率大的材质A：7a较多。另外，至少在与导线7的布线图案接触的部分中，材质A：7a的部分的厚度形成为与材质B：7b的部分的厚度相同或比材质B：7b的部分的厚度厚。作为材质的组合的例子，材质A：7a使用铜或者铜合金，材质B：7b使用比作为布线图案5的材料的铜更柔软的材料的铝或者铝合金。

如图3B所示，在该状态下，一边利用超声波接合机（未图示）的工具8以100~400N的范围的载荷按压导线7的上表面，一边使之在频率20~60kHz的范围内沿水平方向（图3的箭头方向）超声波振动（振幅10~70μm）。利用载荷与超声波振动（振幅），将存在于金属表面的污垢或氧化膜除去并进行接合。为了不使来自超声波焊接机的转换器（未图示）的振动在导线7上引起滑动地传递，在工具8的前端形成多个角锥状的突起部9。该突起部9因工具8的按压而陷入导线7，由此能够不在导线7上滑动地高效地传递振动。

在该状态下，在由工具8按压而施加超声波振动的导线7、与载置于砧座而按压导线7的基板3上的布线图案5之间的界面，引起原子扩散，而使导线B：7b侧的原子与布线图案5侧的原子相互扩散从而产生相互金属的原子结合，并如图3B所示，在导线B：7b与布线图案5的界面形成扩散层71。

此时，由于在由比铜的布线图案5更柔软的材质的铝或者铝合金的导线B：7b与布线图案5的界面形成扩散层71，因此与在导线A：7a与布线图案5的界面形成扩散层的情况相比，能够以小的按压来形成扩散层71，并能够不使基板3产生损伤而可靠地连接导线7与布线图案5。

另外，作为导线B：7b而使用熔点比较高的铝或者铝合金，由此能够使接合部不软化而维持长时间稳定的接合强度。

一边利用该工具8按压导线7一边施加超声波振动，而开始超声波接合，在之后经由一定的时间的时刻停止超声波振动的施加，从而结束导线7与基板3上的布线5的超声波接合。另外，超声波接合通过导线7的变形的进行而进行，从而以工具8的移动量也能够检测超声波振动施加的终点。并且，对于超声波接合的终点而言，对施加压力与施加频率以及由振幅求得的接合能量进行监视，从而能够通过在该接合能量达到某一量的时刻结束来进行检测。

若利用如上述那样的任何一种方法来检测超声波接合的终点来停止超声波振动的施加，则停止利用工具8的对导线7的布线图案5的按压，并如图3C所示地使工具8上升而从布线图案5离开，从而结束超声波接合工序。

图4表示该一系列的动作的流程。

首先，将电源模块100的载置于超声波连接装置（未图示）的砧座（S101）上，该电源模块100为端子部25的各导线7分别设置于基板3的布线图案5上的状态下。接下来，使超声波连接装置（未图示）的工具8下降而将端子部25的导线7的导线B：7b的面按压于布线图案5（S102）上。接下来，由超声波连接装置（未图示）产生超声波振动，而经由工具8将端子部25的导线7按压于布线图案5上，在该状态下对导线7施加超声波振动（S103）。通过在将端子部25的导线7的导线B：7b的面按压于布线图案5的状态下进行超声波振动，而在导线B：7b与布线图案5的界面形成扩散层（S104）。检测到超声波接合的终点而停止超声波振动的施加（S105）。此时的终点的检测的方法通过上述的三种方法中的任意一种方法来进行。

接下来，使工具8上升，而解除对导线7的按压（S106）。接下来，对在电源模块100的导线7与布线图案5之间是否还残留应连接的点进行检查（S107），在没有残留应连接的点的情况下将结束导线7与布线图案5的超声波接合的电源模块100从超声波连接装置（未图示）的砧座取出（S108），从而结束一系列的作业。另一方面，在电源模块100的导线7与布线图案5之间还残留应连接的点的情况下，调整电源模块100的位置（S109），以使利用未图示的处理装置使导线7与布线图案5未连接的位置位于超声波连接装置（未图示）的砧座上，从而执行从S102开始的工序。

此外，在图3A至图3C所示的例子中，对层叠导线A：7a的板与导线B：7b的板而形成导线7的例子进行了说明，但也可以通过电镀而形成将导线B：7b层叠于导线A：7a上的构造。

通过如上述那样构成，能够使导线的接合面容易变形，并能够与大电流化对应地防止绝缘基板的损伤而进行大面积的接合。另外，能够防止因温度上升而引起的接合部的强度降低。

实施例2

在本实施例中，对导线的构造的例子进行说明。

图5是本实施例的电源模块的超声波接合部附近的剖视图的例子。

导线70由材质B：70b及材质A：70a两种板构成，由材质B：70b构成接合部附近，由材质A：70a构成除接合部附近以外的部分。另外，就硬度而言，材质B：70b的硬度比材质A：70a的硬度小，而成为容易变形的构造。另外，根据散热性，构成导线70的体积比率方面，热传导率大的材质A：70a较多。

通过如上述那样构成，能够使导线的接合面容易变形，并能够与大电流化对应地防止绝缘基板的损伤而进行大面积的接合。另外，能够防止因温度上升而引起的接合部的强度降低。另外，与实施例1相比，由于提高工具的陷入性，从而能够进一步实现接合的稳定性。

此外，本发明不限定于上述的实施例，包括各种变形例。例如，上述的实施例是为了容易理解本发明而进行详细说明的例子，不一定限定于必须具备所说明的全部的构成。

另外，对于各实施例的构成的一部分，能够进行其他的构成的追加、削除、置换。

并且，不言而喻，实施例所说明的材质的组合以外，只要与实施例内的条件一致，就可以使用。

Claims (6)

1.一种电源模块，具备：

基板，其在表面形成有多个布线图案；

半导体元件，其搭载于该基板上而与上述多个布线图案中的一部分布线图案电连接；以及

端子部，其具有与上述多个布线图案中的其他的布线图案电连接的导线，

上述电源模块的特征在于，

上述端子部的导线包含多个金属部件而构成，上述多个金属部件之中，与上述其他的布线图案接合的金属部件的硬度比其他的金属部件的硬度小，并且，该与上述其他的布线图案接合的金属部件比上述其他的布线图案的材料柔软，

上述其他的布线图案与上述端子部的导线的接合部附近完全由与上述其他的布线图案接合的金属部件构成，上述接合部附近以外的部分由上述其他的金属部件构成，

并且通过超声波接合，该多个金属部件中的比上述其他的布线图案的材料柔软的金属部件，与上述其他的布线图案电连接。

2.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，

上述导线包含以铜为主要成分的金属部件与以铝为主要成分的金属部件，上述其他的布线图案由铜形成，并且通过超声波接合，上述以铝为主要成分的金属部件与上述其他的布线图案电连接。

3.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，

通过上述超声波接合，在比上述其他的布线图案的材料更柔软的金属部件与上述其他的布线图案的界面上，形成由比上述其他的布线图案的材料更柔软的材料与上述其他的布线图案的材料构成的扩散层，在上述状态下，使上述端子部的导线与上述其他的布线图案电连接。

4.一种电源模块的制造方法，

电源模块在表面形成有多个布线图案的基板上搭载半导体元件，在上述多个布线图案中的一部分布线图案上电连接上述半导体元件，并在该状态下的上述基板的上述多个布线图案中的其他的布线图案上电连接端子部的导线，

上述电源模块的制造方法的特征在于，

上述端子部的导线包含多个金属部件而构成，上述多个金属部件之中，与上述其他的布线图案接合的金属部件的硬度比其他的金属部件的硬度小，并且，该与上述其他的布线图案接合的金属部件比上述其他的布线图案的材料柔软，

上述其他的布线图案与上述端子部的导线的接合部附近完全由与上述其他的布线图案接合的金属部件构成，上述接合部附近以外的部分由上述其他的金属部件构成，

并且通过超声波接合，该多个金属部件中的比上述其他的布线图案的材料柔软的金属部件，与上述其他的布线图案电连接。

5.根据权利要求4所述的电源模块的制造方法，其特征在于，

上述导线具有包含以铜为主要成分的金属部件与以铝为主要成分的金属部件的结构，上述其他的布线图案由铜形成，并且通过超声波接合，上述以铝为主要成分的金属部件与上述其他的布线图案电连接。

6.根据权利要求4所述的电源模块的制造方法，其特征在于，

通过上述超声波接合，在比上述其他的布线图案的材料更柔软的金属部件与上述其他的布线图案的界面上，形成由比上述其他的布线图案的材料更柔软的材料与上述其他的布线图案的材料构成的扩散层，从而上述端子部的导线与上述其他的布线图案电连接。