JP2010082668A - 接合構造及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
基板配線への端子の超音波接合において、端子端部直下の基板配線に力が集中し、同部において配線の掘削や亀裂の発生が起こる恐れがある。
【解決手段】
基板１１０上の端子１１３に端子１２０を超音波接合した接合構造において、端子１２０端部と配線１１３との間に樹脂層１５０を設けた接合構造とすることにより、端子１２０と配線１１３との直接の接触を妨げ、超音波接合時の力を緩和して配線１１３に掘削や亀裂の発生を防止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は端子と基板の超音波接合技術に関する。

車載電子制御装置には、エンジンの点火や燃料噴出のタイミングを制御するエンジンコントロールユニットや、変速タイミングを制御するオートマチックトランスミッションコントロールユニット等がある。これら車載電子制御装置は、自動車の高機能化のため、自動車一台あたりの搭載個数が年々増加しており、車載電子制御装置のための車内設置スペースが限られていることから、小型化の要求が高い。

この小型化の要求に対応可能な実装技術として、MOSFET等の大電流を流すパワーデバイスをモジュール化し（以下、パワーモジュールと呼ぶ）、その他の制御用モジュール等と組み合わせて3次元的に基板を実装する電子制御装置が検討されている。図６にこの電子制御装置６１０の概略図を示す。パワーモジュール６２０には高発熱のパワーデバイスが搭載されるため、導電性・放熱性が重要であり、一般的には放熱板を有する基板や、絶縁材にセラミックを用いた高放熱基板が採用されている。このとき、モジュール間や外部端子との接続にはSn（すず）を主成分とするはんだを用いることが検討されている。製造においては、基板にはんだが印刷された後、パワーデバイスおよび外部端子がマウントされ、リフロー炉ではんだの融点温度まで加熱されて一括で接続される。ただし、Sn系はんだを用いたリフロー一括接続は生産性に優れるものの、モジュールの構造設計の制限が大きいという欠点があり、装置の小型化の障害となることが懸念される。

この構造設計の制限を解決する接合技術として、金属同士の接合方法に超音波のエネルギーを利用した超音波接合がある（例えば、特許文献１参照）。金属同士を重ね合わせて一方から専用のツールにより加圧しながら超音波振動を加えると、金属同士の接触面において数μm〜数十μmの相対的な変位が数十kHzという高い周波数で生じ、表面の汚れや酸化が除去されて金属の新生面が現れ、新生面同士が結合する。この接合はAuやAl・Cuといったはんだに比べて融点の高い金属を常温にて接合することができるため、Sn系はんだと組み合わせた階層接続が可能である。

パワーモジュール基板に安価な金属ベース基板を用い、基板配線および外部端子に電気伝導性および放熱性に優れたCuを用いて両者を超音波接合することで、安価で小型のパワーモジュールを得ることができ、このパワーモジュールを用いることで、安価で小型の車載電子制御装置を得ることができる。

特開2007-258628号公報

しかし、基板配線へのCu端子の超音波接合において、端子端部直下の基板配線に力が集中し、端子端部直下において配線の磨り減りや亀裂の発生が起こる場合がある。この亀裂は実使用における熱衝撃等により徐々に進展し、配線の断線が発生する恐れがあるため、亀裂の発生を防止する必要がある。

そこで、本発明の目的は配線の掘削や亀裂のない高信頼な接続構造およびその接続方法を提供することであり、同構造を採用した安価で小型・高信頼なパワーモジュール、同パワーモジュールを実装した高信頼車載電子装置を提供することである。

上述の超音波接合において、端子端部と配線との間に樹脂層を設けた構造とする。これにより両者の直接の接触を妨げ、配線にかかる力を低減する。

本発明により、配線の掘削や亀裂のない高信頼な構造を得ることができる。

また、本発明の構造を基板・外部端子間に適用することで、高信頼で小型かつ良好な電気伝導性と放熱性を有するパワーモジュールを得ることができ、同パワーモジュールを実装することで、高信頼な車載電子装置を得ることができる。

本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に本実施例にかかる構造の断面図を示す。本構造では、放熱板１１１と、放熱板１１１上の絶縁層１１２と、絶縁膜１１２上の配線１１３とを有する基板１１０と、配線１１３と超音波接合された端子１２０からなる構造であり、配線１１３と端子１２０の界面に、配線１１３および端子１２０の一部にまたがって、多層状組織１３０が存在する。多層状組織１３０は、超音波接合における基板の配線１１３と端子１２０とが塑性流動を起こした結果生じたものである。塑性流動は、超音波接合における基板各層に平行な方向での数十kHz（キロヘルツ）という高い周波数での相対運動と加圧による圧力によって生じたものであり、多層状組織が存在するということは端子１２０と配線１１３が塑性流動により強く接合されたことを示すものである。また、端子１２０の端部の下、配線１１３との間には、軟質の部材１５０が介在している。

比較例として、図２に従来の構造を示す。配線１１３と端子１２０の界面に、多層状組織１３０に加えて、間隙１４０が存在する。間隙１４０は主に配線１１３と端子１２０の凹凸を原因として生じる。つまり、凹凸のために超音波加圧時に配線１１３と端子１２０間には未接触である領域および圧力が十分でない領域が存在し、同領域においては接合がなされずに加圧を終了した時点で開口して間隙１４０となり、接合強度及び電気伝導に寄与しない領域となる。接合面において間隙４５２の占める割合が大きいと、十分な接合強度および導電性・放熱性が得られない結果となる。

間隙１４０は超音波接合時の加圧が不十分であることを原因として起こり、加圧を大きくすることにより低減することができる。しかしながら単に超音波接合時の加圧を大きくしただけでは、図３に示すように配線１１３に亀裂２７０が生じてしまう恐れがある。これは超音波接合時には、接合ツール１６０を端子１２０上に配置し、端子１２０及び配線１１３を加圧するとともに超音波を印加し、塑性流動を発生させて接合するが、端子１２０の端部では他の部分に比べて加圧力が大きくなるため、特に亀裂が発生しやすい。

以上が通常の基板１１０とCu端子１２０の超音波接合であるが、本発明においては、端子１２０の端部近傍において、端子１２０と配線１１３との間に軟質の部材１５０が存在する。軟質の部材とは、端子１２０や配線１１３よりも柔らかい（剛性が小さい）性質を有する部材であり、配線１１３や端子１２０との超音波接合が可能であることや導電性を有することは必要ではない。具体的には、樹脂が適用可能である。軟質の部材１５０が存在することで、超音波接合時において端子１１３端部と基板配線１２０の直接の接触が妨げられ、配線に作用する圧力が低減されるため、配線の掘削や亀裂を抑えることができるので、加圧を強くして接合を行なうことができる。端子の中央付近では軟質の部材１５０が存在しないことで、配線１１３と端子１２０が直接接触し、超音波により接合された構造となり、十分な接合強度と導電性が得られる。もし図２のように部材１５０がない構造では、端子端部と配線が直接接触して配線に力が集中し、同部において配線の磨り減り２６０や亀裂２７０が生じる。

ここで図１では、端子１２０の端部とて端子長手方向の端部の下に軟質の部材１５０を配置しているが、端子１２０の断面が四角形の場合、端子の側面の端部（すなわち図面の手前側及び奥側）も超音波接合により配線に応力が集中して配線に亀裂が生じるため、側面の端部の下に軟質の部材１５０を置いても効果的である。

以下に各部材の具体例を挙げる。図１において、基板の放熱板１１１は放熱性の高いCuやAlが望ましい。基板の絶縁層１１２は放熱性の高いセラミック、もしくは放熱性はセラミックに比べてやや劣るもののコスト面で優れる樹脂が挙げられる。なお、樹脂は放熱フィラーを混入させることにより放熱性を高めたものが一般的である。
基板の配線１１３は電気伝導性および放熱性に優れるCu、Al、Ag等が望ましい。なお、同層をめっきにより形成した場合はめっき形成方向（層に垂直な方向）への筋状組織となる。端子１２０は電気伝導性および放熱性に優れるCu、Al、Ag等が望ましい。なお、機械特性向上のため、前記元素を主成分とする合金とすることも可能である。軟質の部材１５０は、一般的なソルダレジストで十分効果がある。

次に、本構造を実現するための製造方法について述べる。

図４、５は本構造を実現するための超音波接合の模式図である。

まず、基板１１０を準備し、端子をその上に載せる。基板１１０は、放熱板１１１（Al、厚さ2mm）の上に絶縁膜１１２（アルミナフィラー入りエポキシ樹脂、厚さ120μm）を形成し、絶縁膜上に配線１１３（Cu（電解銅箔）、厚さ105μm）を形成したものである。

次に、配線１１３上に軟質の部材１５０（汎用ソルダレジスト、厚さ20μm）を形成する。軟質の部材１５０は、マスクを用いたり、印刷による形成したりして、配線１１３上の一部にのみ形成する。

その後、配線１１３及び軟質の部材１５０上に端子１２０（タフピッチ銅、厚さ0.6mm）を載せ、図５に示すように超音波接合ツール１６０を端子１２０上に載せ、端子１２０を介して超音波接合ツール１６０により加圧をしながら超音波を印加することにより、配線１１３と端子１２０が接合されて接合構造が完成する。このとき、端子１２０の端部が軟質の部材１５０上にあるように配置することにより、端子の端部に対応する配線１１３にかかる圧力をやわらげ、配線１１３に亀裂が入るのを防止することができる。軟質の部材１５０を介入した部分は、配線１１３・端子１２０間の接合強度及び電気伝導に寄与しないが、端子１２０の端部以外の部分で端子１２０と配線１１３は直接接合され接合強度及び電気伝導を確保する。

なお、端子１２０の端部を超音波接合ツール１６０を加圧しなければ、端子１２０の端部付近が接合強度及び電気伝導に寄与しない代わりに配線１１３に発生する亀裂を抑制でき、本発明と同様の効果を達成できると考えられるかもしれない。しかしながら、そのためには超音波接合ツール１６０のサイズを端子の大きさに対応して変更しなければならない。また、大型の超音波接合ツール１６０は低振幅で発振可能であるため接合条件の設定の幅が広い。

なお、本発明の効果を確認するための実験を行ない、配線亀裂が発生せず、ピール強度が25N/mm以上の良好な接合が得られることを確認した。実験における超音波印加条件は、周波数30kHz、荷重80N/mm2、発振時間0.4sとした。

本発明の別の実施例を図７を用いて説明する。本実施例では、軟質の部材の形状が実施例１とは異なっているが、他の構成は同じである。

本実施例では、超音波接合時に軟質の部材が部材３５１および部材３５２に分断されている。この場合、端子の端部の真下に軟質の部材が存在しないが、軟質の部材を分断するのに超音波のエネルギーが使われているため、端子１２０端部の真下の配線１１３にかかる圧力が軽減されており、配線保護効果はある。

本発明の構造を基板・外部端子間に適用することで、高信頼で小型かつ良好な電気伝導性と放熱性を有するパワーモジュールを得ることができ、同パワーモジュールを実装することで、高信頼な車載電子装置を得ることができる。

本発明の実施例にかかる構造の断面模式図である。 従来構造の断面模式図である。 本発明の実施例にかかる構造の断面模式図である。 本発明の実施例にかかる構造の製造を説明するための模式図である。 本発明の実施例にかかる構造の製造を説明するための模式図である。 本発明の接続構造が適用されるパワーモジュールを備えた電子制御の断面図である。 本発明の他の実施例にかかる構造の断面模式図である。

符号の説明

１１０，２１０，３１０，４１０…基板、１２０，２２０，３２０，４２０…端子、１３０…間隙、１４０…多層状組織、１５０，３５１，３５２…軟質の部材、１６０…超音波接合ツール、２６０…配線の掘削、２７０…配線亀裂。

Claims (9)

1. 第1の金属層、第1の絶縁層、第2の金属層、第3の金属層とがこの順で並び構成されている接続構造であって、
   前記第2の金属層と前記第3の金属層との界面に、前記第2の金属層と前記第3の金属層の成分から形成され、かつ、前記第2の金属層と前記第3の金属層にまたがって存在している多層状組織を有し、
   前記第3の金属層の端部近傍において前記第2の金属層との界面に軟質の部材が介在することを特徴とする接続構造。
2. 請求項１において、
   前記第3の金属層の端部の真下に前記軟質の部材が存在することを特徴とする接続構造。
3. 請求項1において、
   前記第3の金属層が当該モジュールとその他のモジュール、あるいは、外部装置と接続されるための端子であることを特徴とする接続構造。
4. 請求項1において、
   前記軟質の部材に樹脂を用いている接続構造。
5. 配線を有する基板を準備する工程と、
   前記配線上に軟質の部材を形成する工程と、
   前記配線及び前記軟質の部材上に端子を載置する工程と、
   前記端子部の上部から接合ツールにより加圧しながら超音波を印加し、前記配線と前記端子とを接合する工程とを含む接合構造の製造方法。
6. 請求項５において、
   前記配線及び前記軟質の部材上に端子を載置する工程では、前記端子の端部が前記軟質の部材上になるように端子を載置することを特徴とする接合構造の製造方法。
7. 請求項５において、
   前記軟質の部材は、前記配線及び前記端子よりも弾性定数が小さいことを特徴とする接合構造の製造方法。
8. 請求項７において、
   前記軟質の部材は樹脂であることを特徴とする接合構造の製造方法。
9. 請求項５において、
   前記接合ずる工程では、前記配線と前記端子とは、多層状組織を形成することを特徴とする接合構造の製造方法。

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