JP2010040714A - 超音波接合方法及び超音波接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、超音波接合方法において、接合面積の拡大を可能にすると共に、素子や基板、或いは素子電極や基板配線などの損傷を回避することである。
【解決手段】本発明の実施の形態に係る超音波接合方法は、接合部材１を被接合部材２に圧接せしめると共に、接合部材１に超音波振動を与えることによって、接合部材１を被接合部材２に接合する方法において、接合部材１及び被接合部材２は銅を主成分として含み、接合部材１と被接合部材２の接合面１１，２１間に錫を主成分とする錫層４を介在せしめ、錫層４を挟んだ状態で接合部材１を被接合部材２に圧接し、常温で接合部材１に超音波振動を与えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波接合方法及び超音波接合体に関するものである。

従来から、エネルギー効率が高く、出力の高いパワーエレクトロニクスデバイスが求められており、該デバイスの高効率及び高出力を実現すべく、基板配線や素子電極などの材質には、電気抵抗の小さい銅が用いられている。そして、このような銅を材質とする基板配線と素子電極の接合には、はんだ接合や、導電性接着剤を用いた接合などが用いられている。

しかし、はんだ接合によれば、パワーエレクトロニクスデバイスが動作することによって、接合部分の温度がはんだ材の融点以上になってしまうと、はんだ材が溶ける虞がある。はんだ材が溶けると、基板配線と素子電極との間に接触不良が生じる虞がある。また、半導体デバイスでの配線接合にはんだ接合を用いると、半導体デバイス上の配線がはんだ材によって浸食されてしまう。

導電性接着剤を用いた接合によれば、はんだ接合に比べて、接合強度が弱く、接合界面での電気抵抗が高い。このため、導電性接着剤を用いた接合は、パワーエレクトロニクスデバイスでの配線接合には適さない。

そこで、はんだ接合や導電性接着剤を用いた接合で生じる問題を解決すべく、パワーエレクトロニクスデバイスでの配線接合に、超音波接合を用いることが提案されている（下掲の特許文献１参照）。超音波接合によれば、素子電極に接合荷重を加えて素子電極を基板配線に圧接させながら、該素子電極に超音波振動を与えることにより、基板配線と素子電極の接合面でスリップアンドフォールド機構が生じ、基板配線と素子電極が強固に接合される。
特開２００８−４７５９６号公報

近年、パワーエレクトロニクスデバイスの大電流化に伴い、接合面積の拡大が求められている。しかし、従来の超音波接合方法では、接合面積が小さい場合（５０〜１００μｍ^２）には適用できるが、接合面積が大きい場合（例えば１ｍｍ^２）への適用は困難であった。

例えば、素子電極に与える荷重及び超音波出力を大きくすることや、超音波接合時の温度を高めることにより、接合面積を拡大することができるかもしれない。しかし、いずれの方法においても、素子や基板の損傷を招く可能性が高い。

そこで、本発明の目的は、超音波接合方法において、接合面積の拡大を可能にすると共に、素子や基板、或いは素子電極や基板配線などの損傷を回避することである。

本発明に係る超音波接合方法は、接合部材（１）を被接合部材（２）に圧接せしめると共に、該接合部材に超音波振動を与えることによって、接合部材を被接合部材に接合する方法において、前記接合部材及び前記被接合部材は銅を主成分として含み、該接合部材と被接合部材の接合面間に錫を主成分とする錫層（４）を介在せしめ、前記錫層を挟んだ状態で前記接合部材を前記被接合部材に圧接し、常温で該接合部材に前記超音波振動を与えることを特徴とする。

上記超音波接合方法において、前記接合部材（１）を前記被接合部材（２）に圧接するときに該接合部材に与える荷重（単位はＮ）、及び前記超音波振動を発生させるための超音波出力（単位はＷ）は、該荷重を変数Ｘ、該超音波出力を変数Ｙと表した場合に、Ｘ＝１２、Ｘ＝３３、Ｙ＝１６、Ｙ＝４３、Ｙ＝２Ｘ＋１１、及びＹ＝２Ｘ−３６の６つの直線で包囲される領域内の値であることが好ましい。

前記錫層（４）は、めっき又は蒸着によって前記被接合部材の接合面に形成されることが好ましい。また、前記錫層の厚さは、１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。

本発明に係る超音波接合方法によれば、常温低荷重で、被接合部材に対して接合部材を大きい接合面積で接合することができる。

本発明に係る超音波接合体は、接合部材（１）を被接合部材（２）に圧接せしめると共に、該接合部材に超音波振動を与えることによって、接合部材を被接合部材に接合して形成される接合体である。かかる超音波接合体は、前記接合部材及び前記被接合部材は銅を主成分として含み、該接合部材と該被接合部材との接合界面の近傍には、錫が雲状に分散されていることを特徴とする。

本発明に係る超音波接合体によれば、接合界面に錫が層状に形成された超音波接合体に比べて、接合部材と被接合部材の接合強度が高く、かつ接合界面での電気抵抗が低くなる。

本発明に係る超音波接合方法又は超音波接合体によれば、接合面積の拡大が可能になると共に、素子や基板、或いは素子電極や基板配線などの損傷を回避することができる。

以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。

１．超音波接合装置
本発明の実施の形態の係る超音波接合方法は、図１（ｂ）に示される様に、接合部材１を被接合部材２に圧接せしめると共に、接合部材１に超音波振動を与えることによって、接合部材１を被接合部材２に接合する方法であって、超音波接合装置３を用いて実施される。

超音波接合装置３は、図１に示される様に、固定台３１、ボンディングツール３２、荷重印加装置３３、及び超音波印加装置３４を具える。固定台３１は、被接合部材２を固定するための台である。ボンディングツール３２は、固定台３１に固定された被接合部材２との間に、接合部材１を挟み込むためのツールである。

荷重印加装置３３は、ボンディングツール３２を固定台３１に押し付ける方向（押し付け方向）の荷重を、ボンディングツール３２に印加する装置である。荷重印加装置３３によって押し付け方向の荷重がボンディングツール３２に印加されることにより、接合部材１とボンディングツール３２との間に挟まれた接合部材１にも押し付け方向の荷重が印加される。これにより、接合部材１は被接合部材２に圧接されることとなる。尚、以下では、押し付け方向の荷重を接合荷重と呼ぶことにする。

超音波振動印加装置３４は、押し付け方向に垂直な方向に振動する超音波振動を、ボンディングツール３２に印加する装置である。荷重印加装置３３によって接合部材１を被接合部材２に圧接しながら、超音波振動印加装置３４によって超音波振動をボンディングツール３２に与えることにより、接合部材１にも超音波振動が与えられる。これにより、接合部材１と被接合部材２の接合面１１，２１間にスリップアンドフォールド機構が生じ、以って接合部材１と被接合部材２とが強固に接合される。

２．超音波接合方法
本発明の実施の形態に係る超音波接合方法では、接合部材１及び被接合部材２に、銅を主成分としたものが用いられる。また、図２に示される様に、接合部材１と被接合部材２の接合面１１，２１間に、錫を主成分とする錫層４が介在せしめられる。具体的には、錫層４は、被接合部材２の接合面２１を錫でめっきするめっき法、或いは接合面２１に錫を蒸着させる蒸着法によって、被接合部材２の接合面２１に形成される。そして、上述した超音波接合装置３を用いて、図２に示される様に錫層４を挟んだ状態で、接合部材２を被接合部材３に圧接すると共に、接合部材２に超音波振動を与える。

上述した超音波接合方法によれば、被接合部材２の接合面２１に錫層４を形成することにより、接合面２１の酸化が防止される。よって、接合面２１の酸化を防止するために、高価な貴金属や希少元素などを用いる必要がなく、以って接合に必要なコストが低減される。

また、錫層４の形成にめっき法或いは蒸着法を用いることにより、錫層４の露出表面４１には、図３に示される様に周期的な凹凸が形成される。このため、上述した超音波接合方法によれば、接合部材１の接合面１１と錫層４の露出表面４１の間において、以下のような原理でスリップアンドフォールド機構が生じる。

まず、図４（ａ）に示される様に、接合部材２を被接合部材３に圧接した状態で、接合部材２に超音波振動を与えることにより、錫層４の露出表面４１の凸部が接合部材２の接合面２１に沿って摺動する（スリップ）。これにより、露出表面４１の凸部は接合面２１に凝着すると共に、図４（ｂ）に示される様に、該凸部の周辺部分が塑性変形して接合面２１に接触した状態で重なる（フォールド）。そして、該周辺部分は、図４（ｃ）に示される様に、超音波振動によって接合面２１に沿って摺動することにより、接合面２１に凝着する。このように摺動（スリップ）による凝着と、塑性変形による周辺部分の重なり（フォールド）が繰り返されることにより、図４（ｄ）に示される様に、錫層４の露出表面４１のほぼ全域に亘って、錫層４が接合面２１に凝着することとなる。

錫は塑性変形しやすい物質であるので、スリップアンドフォールド機構において、塑性変形による重なり（フォールド）が生じやすい。よって、接合部材１の被接合部材２への接合は、錫層４によって促進されることとなる。

しかも、後述する超音波接合実験の結果に示されるように、超音波接合を実施するときの温度が常温であっても、被接合部材２への接合部材１の接合が可能である。よって、錫と銅との反応を抑制することができ、以って接合強度を低下させるＳｎ_６Ｃｕ_５などの金属化合物の生成を防止することができる。尚、ここでいう「常温」とは、室温から約１５０℃までの範囲内にある温度のことをいうものとする。

更には、接合部材１の接合面１１に絶縁物質である酸化皮膜が形成されていたとしても、超音波接合によって、露出表面４１の凹凸（図３）が接合面１１の酸化皮膜に擦り付けられので、酸化皮膜は破壊分散されることとなる。これにより、接合部材１と被接合部材２との接合界面において、酸化皮膜による電気抵抗の増大が防止される。

３．超音波接合実験
発明者は、上述した超音波接合方法を用いて、種々の条件で、接合部材１の被接合部材２への接合が可能かどうかを調べた。実験条件及び実験結果は以下のとおりである。尚、図５は、実験結果を示したものである。

＜実験条件＞
接合部材１として厚さ９３μｍの薄い帯状の素子電極（以下、薄帯という）を用い、被接合部材２として厚さ６２０μｍの基板配線を用いた。尚、これらの薄帯及び基板配線はいずれも、銅を主成分としたものである。そして、基板配線の接合面２１に形成する錫層４の厚さを１μｍとした。また、接合面積を１ｍｍ×１ｍｍ（＝１ｍｍ^２）、超音波周波数を７５ｋＨｚ、接合時間を５００ｍｓ、接合温度を室温（２５℃〜２７℃）とした。

このような条件の下で、図５に示される様に、接合荷重（単位はＮ）の設定値Ｘを１１Ｎ近傍からで３３．５Ｎまで約２．５Ｎ間隔で変化させると共に、超音波振動を発生させるための超音波出力（単位はＷ）の設定値Ｙを１５Ｗから５０Ｗ近傍まで約５Ｗ間隔で変化させ、設定値（Ｘ，Ｙ）毎に、薄帯が基板配線に接合されたどうかを調べた。そして、接合されたサンプル（超音波接合体）については、接合部材１と被接合部材２との引き剥がし試験を行い、プラグ破断したサンプルと、錫層４が残存しているサンプルとに分類した。尚、図５では、接合されたサンプルのうち、プラグ破断したものを記号◎、錫層４が残存しているものを記号○でそれぞれ表し、接合できなかったものを記号×で表している。

＜実験結果＞
図５に示される実験結果から、接合荷重と超音波出力の設定値（Ｘ，Ｙ）が、（Ｘ＝１３．５〜２６，Ｙ＝２０）、（Ｘ＝１２〜２８．５，Ｙ＝２５）、（Ｘ＝１３．５〜３１，Ｙ＝３０，３５）、（Ｘ＝１６〜２３．５，３１，Ｙ＝４０）、及び（Ｘ＝２６，２８．５，Ｙ＝４１）である場合において、薄帯が基板配線に接合されることがわかる。よって、上述した実験条件の下では、薄帯を基板配線に接合することが可能な接合荷重と超音波出力の設定値（Ｘ，Ｙ）の範囲（以下、接合可能域という）を、Ｘ＝１２、Ｘ＝３３、Ｙ＝１６、Ｙ＝４３、Ｙ＝２Ｘ＋１１、及びＹ＝２Ｘ−３６の６つの直線で包囲される領域とすることができる。

また、図５に示される実験結果から、接合荷重と超音波出力の設定値（Ｘ，Ｙ）が、（Ｘ＝１３．５，１６，Ｙ＝２０）、（Ｘ＝１３．５〜１８．５，Ｙ＝２５）、（Ｘ＝１６，１８．５，Ｙ＝３０）、（Ｘ＝１６〜２１，Ｙ＝３５）、及び（Ｘ＝１６〜２３．５，Ｙ＝４０）である場合において、接合されたサンプルがプラグ破断することがわかる。

プラグ破断するサンプルについて、薄帯と基板配線との接合界面に垂直な断面を観察した結果、錫層４を形成していた錫は、図６に示される様に、接合界面近傍において雲状に分散していることがわかった。尚、ここでいう「雲状」とは、錫が、接合界面近傍において薄帯或いは基板配線内に分散した状態のことをいうものとする。

プラグ破断するサンプルは、接合界面近傍において錫が雲状に分散しているという結果から、接合界面に錫が層状に残るよりも錫が雲状に分散した方が、薄帯（接合部材１）と基板配線（被接合部材２）の接合強度が高くなることがわかる。

また、接合界面近傍において錫が雲状に分散したサンプル（プラグ破断するサンプル）と、錫層４が残存しているサンプルとについて、電気抵抗の測定を行った。具体的には、接合荷重と超音波出力の設定値（Ｘ，Ｙ）＝（１８．５，４０）という条件で接合されたサンプルＡと、設定値（Ｘ，Ｙ）＝（２６，２５）という条件で接合されたサンプルＢとについて、電気抵抗の測定を行った。その結果、サンプルＡの電気抵抗は１．３５×１０^−３Ωであり、サンプルＢの電気抵抗は２．０５×１０^−３Ωであった。

サンプルＡ，Ｂの電気抵抗の測定の結果から、接合界面近傍において錫が雲状に分散することにより、接合界面に錫が層状のまま残るよりも、接合界面での電気抵抗が低下することがわかる。

尚、錫の雲状の分散は次のような原理で生じると考えられる。すなわち、錫層４の露出表面４１のほぼ全域に亘って、錫層４が基板配線（被接合部材２）の接合面２１に凝着した状態（図４（ｄ）参照）から、更に超音波振動が与えられることにより、図７（ａ）に示される様に、薄帯（接合部材１）と基板配線（被接合部材２）に挟まれた錫層４は、剪断応力の作用によって剪断される。超音波振動による錫層４の剪断が繰り返されることにより、錫層４内の錫は、図７（ｂ）に示されるように接合界面近傍において分散し、錫層４は、図７（ｃ）に示される様に雲状になる。

４．効果
上述した超音波接合方法によれば、常温低荷重で、被接合部材２に対して接合部材１を大きい接合面積で接合することができる。よって、接合面積の拡大が可能になると共に、接合部材１や被接合部材２の損傷、具体的には素子や基板、或いは素子電極や基板配線などの損傷を回避することができる。

尚、上述した超音波接合方法は、ハイブリッド自動車のパワー制御ユニットの実装、電力制御機器の制御モジュールの製造、太陽光発電システム（例えばメガソーラ）の配線などに適用することができる。

５．変形例
＜変形例１＞
上述した超音波接合方法では、被接合部材２の接合面２１に錫層４を形成したが、接合部材１の接合面１１に錫層４を形成してもよい。本変形例に係る超音波接合方法においても、上述した効果と同様の効果が得られる。

＜変形例２＞
上述した超音波接合方法では、接合部材１と被接合部材２の接合面１１，２１間に、錫を主成分とする錫層４を介在させたが、軟質金属や軟質合金などの軟材質を主成分とする軟材質層を介在させてもよい。本変形例に係る超音波接合方法においても、上述した効果と同様の効果が得られる。尚、軟材質には、例えばはんだ、アルミ、又は鉛などが採用できる。

＜変形例３＞
上述した超音波接合実験と同様の実験により、次のことが確認できている。すなわち、超音波周波数は７５ｋＨｚに限らず、６０〜１１０ｋＨｚの範囲であれば、超音波接合が可能であることが確認できている。但し、超音波周波数を高くすることにより、接合荷重と超音波出力の設定値（Ｘ，Ｙ）の接合可能域は低荷重、低出力側に移動し、超音波周波数を低くすることにより、接合可能域は高荷重、高出力側に移動する。

更に、次のことも確認できている。すなわち、錫層４の厚さを大きくすると、接合界面近傍において錫が雲状に分散する設定値（Ｘ，Ｙ）の範囲（以下、雲状分散域という）が狭まる。しかし、錫層４の厚さが５μｍ以下であれば、雲状分散域が存在することが確認できている。

＜変形例４＞
上述の実験結果に示される様に、接合面積が１ｍｍ×１ｍｍ（＝１ｍｍ^２）である場合、接合荷重と超音波出力の設定値（Ｘ，Ｙ）の広い範囲において超音波接合が可能であった。よって、この実験結果から、１ｍｍ^２より大きい接合面積においても超音波接合が可能であることが推測できる。本発明の発明者は、上述した超音波接合方法を用いることによって、接合面積を少なくとも５ｍｍ×５ｍｍ（＝２５ｍｍ^２）程度まで拡げることができるとみている。

＜変形例５＞
上述した実験では、接合部材１として薄帯、被接合部材２として基板配線を採用したが、これに限られるものではない。例えば、被接合部材２として、薄帯や板部材を採用してもよい。また、被接合部材２は、薄膜であってもよいし、厚膜であってもよい。

尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

超音波接合装置を概念的に示した図である。 接合部材と被接合部材との間に介在された錫層を示した図である。 錫層の露出表面の形状を示した図である。 スリップアンドフォールド機構の発生原理を順に示した一連の図である。 超音波接合実験の結果を示したグラフである。 薄帯と基板配線との接合界面に垂直な断面の観察像を示した図である。 錫の分散原理を順に示した一連の図である。

符号の説明

１ 接合部材
２ 被接合部材
３ 超音波接合装置
３１ 固定台
３２ ボンディングツール
３３ 荷重印加装置
３４ 超音波印加装置
４ 錫層

Claims (5)

1. 接合部材を被接合部材に圧接せしめると共に、該接合部材に超音波振動を与えることによって、接合部材を被接合部材に接合する超音波接合方法において、
   前記接合部材及び前記被接合部材は銅を主成分として含み、該接合部材と被接合部材の接合面間に錫を主成分とする錫層を介在せしめ、
   前記錫層を挟んだ状態で前記接合部材を前記被接合部材に圧接し、常温で該接合部材に前記超音波振動を与えることを特徴とする、超音波接合方法。
2. 前記接合部材を前記被接合部材に圧接するときに該接合部材に与える荷重（単位はＮ）、及び前記超音波振動を発生させるための超音波出力（単位はＷ）は、該荷重を変数Ｘ、該超音波出力を変数Ｙと表した場合に、Ｘ＝１２、Ｘ＝３３、Ｙ＝１６、Ｙ＝４３、Ｙ＝２Ｘ＋１１、及びＹ＝２Ｘ−３６の６つの直線で包囲される領域内の値である、請求項１に記載の超音波接合方法。
3. 前記錫層は、めっき又は蒸着によって前記被接合部材の接合面に形成される、請求項１又は請求項２に記載の超音波接合方法。
4. 前記錫層の厚さは、１μｍ以上５μｍ以下である、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の超音波接合方法。
5. 接合部材を被接合部材に圧接せしめると共に、該接合部材に超音波振動を与えることによって、接合部材を被接合部材に接合して形成される超音波接合体において、
   前記接合部材及び前記被接合部材は銅を主成分として含み、該接合部材と該被接合部材との接合界面の近傍には、錫が雲状に分散されていることを特徴とする、超音波接合体。

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