JP2010212645A - 接続構造、パワーモジュール、およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】導電性・放熱性の低下を抑えつつ、コンパクトで信頼性の高い接合構造を実現する。
【解決手段】基板パッド１１３への金属端子１２０の超音波接合において、端子縁―パッド間に軟らかい、もしくは摺動性の高い薄いバッファー金属層１４０を設けることにより、接合時の端子１２０の端部が直接パッド１１３と接触することを防止する。これによって超音波接合時に、圧力と超音波によってパッド１１３に端子１２０の端部によって磨耗・亀裂が発生することを防止する。本発明によって、コンパクトで、かつ、信頼性の高い接合構造を実現することが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板パッドへの金属端子の接合技術に関する。
自動車には、エンジン等のパワートレイン系やハンドル操作等のステアリング系等の電子的な制御を行なうコントロールユニットが搭載されている。コントロールユニットは機能上高い信頼性が要求される。近年自動車の高機能化・多機能化が進んでおり、車内のコントロールユニットは増加傾向にある。一方で、コントロールユニットを設置するスペースには限りがあるため、コントロールユニットは小型化（コンパクト性）が強く求められている。
コントロールユニットには電力の変換および制御を行なうためのモジュール（パワーモジュール）が搭載されている。一般的なパワーモジュール基板の構造を図２に示す。基板２１０にＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などの高発熱パワーデバイス２３０が実装されている。パワーモジュールは数十Ａ〜百Ａ以上の大電流が流れ、発熱が大きいため、その構造は導電性および放熱性が重要である。
パワーモジュールとその他のモジュールとの接続は、ＡｌワイヤボンディングもしくはＣｕ端子のはんだ接続が用いられる。しかし、それらは次のような問題がある。Ａｌワイヤボンディングのワイヤ径の上限は数百μｍである。対して、パワーモジュールには数十Ａ〜百Ａ以上の電流が流れる。
電気抵抗の観点から、ひとつの接合部に対して複数本のワイヤの接続が必要となる。その結果、コンパクト性が損なわれるという問題がある。一方、Ｃｕ端子のはんだ接続は、端子の幅・厚さをサブｍｍ〜数ｍｍと厚くすることができ、高電気伝導であり放熱性も良好である。
図３はモジュール基板を積層する状態を示す斜視図である。図３（ａ）はモジュール基板を他のモジュール基板と接続するために端子を接続した状態を示す斜視図である。図３（ｂ）は、端子によって、他のモジュール基板と接続された状態を示す斜視図である。図３（ｂ）の他のモジュール基板には、接続半田部のみ記載され、他の部品は省略されている。
すなわち、図３は、基板２１０にＣｕ端子２２０がはんだ２４０にて実装された後、その他のモジュール２５０にＣｕ端子２２０の一端がはんだ２６０により接続される状態を示している。ここでは例としてその他のモジュールとのはんだ接続をスルーホールによる接続としている。
ここで生ずる問題は次のようなものである。すなわち、Ｃｕ端子２２０とその他のモジュール２５０との接続のはんだ２６０にＣｕ端子／基板間接続はんだ２４０と同一のものを用いると、接続時にＣｕ端子／基板間のはんだ２４０が再溶融するという問題である。
この問題を解決する方法として、Ｃｕ端子／基板間接続のはんだ２４０にモジュール間接続のはんだ２６０よりも融点の高いものを用いる方法がある。しかし、実装構造や材料、接続プロセスに制限が生ずるという問題がある。そこで近年、Ｃｕ端子の超音波接合が注目されている。
はんだに代えて、超音波接合によって接続をする技術が記載されたものとして、「特許文献１」、「特許文献２」「特許文献３」があげられる。
特開２００７−１７３３６３号公報 特開２００７−０８８０３０号公報 特開２００２−２８０４１６号公報
従来例における超音波接合の模式図を図４に示す。図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）において、超音波ツールを取り除いた状態での平面図である。基板パッド３１３上にＣｕ端子３２０を設置し、Ｃｕ端子を上から押圧しながら基板表面に平行な方向に超音波振動を加える。
すると、端子―パッド接触面における付着物および酸化物が除去されてできる新生面同士が接合する。このような超音波接合においては、先に行われた半田が再溶融するという問題はない。また、Ｃｕ端子と基板パッド３１３を直接接合することができるため、高電気伝導・高放熱でコンパクトな接合構造を得ることができる。
しかしながら、上述の基板パッドへの端子の超音波接合においては、図５のように接合時にパッドの端子縁直下において磨耗１１４や亀裂１１５を発生して信頼性を損なう場合がある。ここで、端子縁とは図４（ｂ）に示した太い点線３２１を指す。これは、パッド１１３の端子１２０の縁直下において高い摩擦力が生じるため、また、摩擦によりせん断力が生じるためである。このような磨耗１１４や亀裂１１５は図４（ｂ）における点線３２１において、特に超音波の先導方向と直角の辺に生ずる。
せん断力は摩擦力に比例し、摩擦力は圧力に比例するため、圧力が局所的に大きくなる端子縁直下において磨耗および亀裂が発生する。超音波の加圧を小さくすれば亀裂を回避することができるが、接合される面積が減少する。この結果、接合強度および導電性・放熱性が低下してしまうという問題がある。
これに対し、図７のように端子縁を含まない領域を超音波接合することが考えられる。図７（ａ）は断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）において、超音波接合ツールを取り除いた状態での平面図である。図７に示すような構成によれば、パッド１１３の端子１２０の縁直下に作用する圧力を減じ、パッドの磨耗・亀裂を回避することができる。
ここで、端子縁を含まない領域を超音波接合するとは、超音波接合ツール１３０により加圧する領域１３１の外側に端子縁を配置して接合する構造である。図７の構造は端子を大きくする（太く長くする）、あるいは接合面積を小さくすることで実現できる。
しかし、端子１２０を大きくした場合は狭ピッチ化の妨げとなり、モジュールのコンパクト性に不利である。一方、接合面積を小さくした場合は導電性・放熱性が低下するという問題がある。以上のように、基板パッドへの端子の超音波接合において、従来技術では、亀裂のない、信頼性が高く、接合強度、導電性が高く、放熱性に優れ、狭ピッチ化によるコンパクト性を可能とする特性を一度に満足するのは困難であった。
したがって、本発明の課題は、放熱性の低下を抑えつつ、接合強度・導電性に優れ、コンパクトで信頼性の高い端子―基板接合構造を実現することである。さらに本発明の目的は、このような端子構造を有する信頼性の高いパワーモジュールを実現することである。
本発明は以上説明した課題を解決するものであり、具体的な手段は下記のとおりである。
（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積層構成されている接続構造であって、前記第３の金属層の端部において前記第２の金属層との間に、前記第２の金属層を構成する金属よりも軟かい金属で形成されたバッファー金属層が形成されており、前記バッファー金属層は、前記第２の金属層の１部を被覆していることを特徴とする接続構造。
（２）前記第３の金属層の端部の真下に前記バッファー金属層が存在することを特徴とする（１）に記載の接続構造。
（３）前記バッファー金属層がＳｎまたはＩｎおよびそれらを含む合金から成ることを特徴とする（１）に記載の接続構造。
（４）導電性基板上に絶縁層が形成され、前記絶縁層の上に配線と金属パッドが形成され、前記金属パッドに端子が接続しているパワーモジュールであって、前記金属パッドの１部には前記金属パッドを構成する金属よりも柔らかい金属によるバッファー金属が形成され、前記バッファー金属は、前記端子の端部と前記金属パッドの間に存在していることを特徴とするパワーモジュール。
（５）前記バッファー金属層がＳｎまたはＩｎおよびそれらを含む合金から成ることを特徴とする（４）に記載の接続構造。
（６）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積層構成されている接続構造の形成方法であって、前記第２の金属層の１部に前記第２の金属層よりも軟らかい金属によるバッファー金属層を配置し、前記バッファー金属層の上に前記第３の金属の端部を配置し、超音波によって前記第２の金属と前記第３の金属を接合することを特徴とする端子構造の形成方法。
（７）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積層構成されている接続構造の形成方法であって、前記第３の金属層の端部に前記第２の金属層よりも軟らかい金属によるバッファー金属層を配置し、前記バッファー金属層を前記第２の金属層の上に配置し、超音波によって前記第２の金属と前記第３の金属を接合することを特徴とする端子構造の形成方法。
（８）導電性基板上に絶縁層が形成され、前記絶縁層の上に配線と金属パッドが形成され、前記金属パッドに端子が接続しているパワーモジュールの製造方法であって、前記金属パッドの１部に前記金属パッドを構成する金属よりも柔らかい金属によるバッファー金属を配置し、前記バッファー金属の上に前記端子の端部を配置し、
超音波によって前記第２の金属と前記第３の金属を接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
（９）導電性基板上に絶縁層が形成され、前記絶縁層の上に配線と金属パッドが形成され、前記金属パッドに端子が接続しているパワーモジュールの製造方法であって、前記端子の端部に前記金属パッドを構成する金属よりも柔らかい金属によるバッファー金属を配置し、前記バッファー金属層を前記第２の金属層の上に配置し、超音波によって前記第２の金属と前記第３の金属を接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
（１０）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積層構成されている接続構造の形成方法であって、前記第２の金属層の少なくとも１部に前記第２の金属層よりも軟らかい金属によるバッファー金属層を配置し、前記バッファー金属層の上に、前記バッファー金属層側に突起を有する前記第３の金属を配置し、超音波によって前記第２の金属と前記第３の金属を接合することを特徴とする端子構造の形成方法。
（１１）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積層構成されている接続構造の形成方法であって、前記第３の金属層の前記第２の金属層側の面の少なくとも一部に前記第２の金属層を構成する金属よりも柔らかい金属によるバッファー金属を配置し、前記第３の金属層の前記第２の金属層側に単数または複数の突起を形成し、前記バッファー金属層を前記第２の金属層の上に配置し、超音波によって前記第２の金属と前記第３の金属を接合することを特徴とする端子構造の製造方法。
（１２）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積層構成されている接続構造の形成方法であって、前記第２の金属層の少なくとも一部に前記第２の金属層を構成する金属よりも柔らかい金属によるバッファー金属を配置し、前記第３の金属層の前記第２の金属層側に凸曲面を形成し、前記バッファー金属層を前記第２の金属層の上に配置し、超音波によって前記第２の金属と前記第３の金属を接合することを特徴とする端子構造の製造方法。
（１３）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積層構成されている接続構造の形成方法であって、前記第３の金属層の前記第２の金属層側の面の少なくとも一部に前記第２の金属層を構成する金属よりも柔らかい金属によるバッファー金属を配置し、前記第３の金属層の前記第２の金属層側に凸曲面を形成し、前記バッファー金属層を前記第２の金属層の上に配置し、超音波によって前記第２の金属と前記第３の金属を接合することを特徴とする端子構造の製造方法。
（１４）導電性基板上に絶縁層が形成され、前記絶縁層の上に配線と金属パッドが形成され、前記金属パッドに端子が接続しているパワーモジュールの製造方法であって、前記金属パッドの少なくとも１部に前記金属パッドよりも軟らかい金属によるバッファー金属層を配置し、前記バッファー金属層の上に、前記バッファー金属層側に単数または複数の突起を有する前記端子を配置し、超音波によって前記金属パッドと前記端子を接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
（１５）導電性基板上に絶縁層が形成され、前記絶縁層の上に配線と金属パッドが形成され、前記金属パッドに端子が接続しているパワーモジュールの製造方法であって、前記端子の前記金属パッド側の面の少なくとも一部に前記金属パッドを構成する金属よりも柔らかい金属によるバッファー金属を配置し、前記端子の前記金属パッド側に単数または複数の突起を形成し、前記バッファー金属層を前記金属パッドの上に配置し、超音波によって前記金属パッドと前記端子を接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
（１６）導電性基板上に絶縁層が形成され、前記絶縁層の上に配線と金属パッドが形成され、前記金属パッドに端子が接続しているパワーモジュールの製造方法であって、前記金属パッドの少なくとも一部に前記金属パッドを構成する金属よりも柔らかい金属によるバッファー金属を配置し、前記端子の金属パッド側に凸曲面を形成し、前記バッファー金属層を前記金属パッドの上に配置し、超音波によって前記金属パッドと前記端子を接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
（１７）導電性基板上に絶縁層が形成され、前記絶縁層の上に配線と金属パッドが形成され、前記金属パッドに端子が接続しているパワーモジュールの製造方法であって、前記端子の前記金属パッド側の面の少なくとも一部に前記金属パッドを構成する金属よりも柔らかい金属によるバッファー金属を配置し、前記端子の金属パッド側に凸曲面を形成し、前記バッファー金属層を前記金属パッドの上に配置し、超音波によって前記金属パッドと前記端子を接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
上記手段により、軟らかい金属を用いた場合は、接合の初期において軟らかい金属が変形・切削されることにより、パッドにかかる摩擦力を低減し、パッドの磨耗・亀裂を未然に防ぐ。摺動性の高い金属を用いた場合は、減摩作用により摩擦力を低減して同様な効果を得ることができる。
一方、バッファー金属層１４０を含まない領域においては端子とパッドが直接超音波接合する。これにより、パッドの亀裂なく十分な接合強度を持った高信頼な端子―基板接合構造を得ることができる。また、この構造におけるパッド１１３―バッファー金属層１４０―端子１２０接合部は導電性および放熱性に寄与する。そのため、パッド―端子直接接合面積減少による導電性・放熱性の低下をある程度抑えることができる。
また、図１１において、端子の突起部分１２１にバッファー金属１４０が存在する場合は、超音波接合時にバッファー金属が突起１２１の頂点から外に向かって押し出され、端子突起周辺とパッド１１３が接合する。この場合も端子端部にはバッファー金属が存在するため、パッドの亀裂なく十分な接合強度を持った高信頼な端子―基板接合構造を得ることができる。同様な効果は、端子に突起を設ける代わりに、端子の接合面を凸曲面とすることでも得られる。
本接合構造を適用することにより、コンパクトで高信頼なパワーモジュールを得ることができる。このパワーモジュールを搭載することにより高品質な車載電子装置を得ることができる。
本発明による超音波接合を示す断面図である。 パワーモジュール基板の斜視図である。 パワーモジュール基板が積層された状態を示す斜視図である。 従来構造の断面図および平面図である。 従来構造の問題点を示す断面図である。 従来構造の他の問題点を示す断面図である。 他の従来構造の断面図および平面図である。 本発明の第１の実施例における接合プロセスを示す断面図である。 バッファー金属層の平面図である。 本発明の第２の実施例を示す断面図である。 本発明の第３の実施例における接合プロセスを示す断面図である。 本発明の第４の実施例における接合プロセスを示す断面図である。 本発明の第３の実施例を示す断面図である。 本発明の第４の実施例を示す断面図である。 本発明の第３または第４の実施例における他の例を示す断面図である。
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上のパッド１１３とを有する基板１１０と、パッド１１３と超音波接合された端子１２０からなる構造であり、端子１２０の縁直下、パッド１１３との間には、軟らかい、もしくは摺動性の高い金属の薄い層１４０が介在している。
図１において、基板放熱ベース１１１の厚さは例えば２ｍｍ、絶縁層１１２の厚さは例えば０．１ｍｍ、基板パッドの厚さは例えば０．１ｍｍ、端子１２０の厚さは例えば０．６ｍｍである。また、金属層１４０の厚さは例えば５μｍ程度である。
比較例として、図５に従来の構造における断面図を示す。図５は放熱板１１１と、放熱板１１１上の絶縁層１１２と、絶縁膜１１２上のパッド１１３とを有する基板１１０と、パッド１１３と超音波接合された端子１２０からなる構造であり、パッド１１３には磨耗１１４および亀裂１１５が発生している。これは、超音波接合時、パッド１１３の端子１２０の縁直下において高い摩擦力と摩擦によるせん断力がかかるためである。せん断力は摩擦力に比例し、摩擦力は圧力に比例するため、圧力が局所的に大きくなる端子縁直下において磨耗および亀裂が発生する。
これに対し、図６は超音波接合における加圧を減じてパッド１１３の亀裂を未然に防いだ構造である。図６のパッド１１３と端子１２０の界面においては、間隙１５１が接合面の広範囲にわたって存在している。ここで、間隙１５１は超音波接合時の非接触部分、もしくは未接合部分が開口したものである。
この現象は詳しくは次のように説明される。パッドと端子の表面には初期的に凹凸が存在する。超音波加圧により接合面はある程度平滑化されるが、完全な平面とはならず、微視的にはなお凹凸が存在する。よって、超音波加圧時にはパッドー端子間において非接触部と接触部が存在し、接触部においては圧力分布が存在する。
このため、接触部において、圧力が十分高く接合が成される領域と、圧力が不十分で接合が成されない領域が生じる。未接合部分は加圧がなくなると同時に開口し、非接触部分とともに間隙１５１となる。間隙１５１は接合強度及び電気伝導に寄与しない。図６の構造は接合面における間隙１５１の割合が大きいため、接合強度および導電性・放熱性は低い。
一方、先に説明した図７は端子縁を含まない領域を超音波接合した構造である。これにより、パッドの端子縁直下に作用する圧力を減じ、パッドの磨耗・亀裂を回避することができる。図７のこの構造は端子を大きくする（太く長くする）、あるいは接合面積を小さくする必要がある。しかし、端子を大きくした場合は狭ピッチ化の妨げとなり、モジュールのコンパクト性に不利となり、接合面積を小さくした場合は導電性・放熱性が低下するという問題がある。
以上のように、従来技術ではパッドに亀裂のない信頼性および接合強度・導電性・放熱性および狭ピッチ化が可能なコンパクト性を一度に満足させるのは困難であった。
しかし、図１に示す本発明を適用すれば、接合強度・導電性・放熱性の低下を抑えつつ、コンパクトで信頼性の高い端子―基板接合構造を提供することが可能となる。断面図である図１に示す本発明の構成によれば、端子１２０の縁とパッド１１３との間に軟らかい、もしくは摺動性の高い薄いバッファー金属層１４０が存在する。
図１に示すように、軟らかい金属を用いた場合は、超音波接合の初期においてバッファー金属層１４０が変形・切削されることにより、パッドにかかる摩擦力を低減し、パッドの磨耗・亀裂を未然に防ぐことが出来る。また、摺動性の高い金属を用いた場合は、その減摩作用により摩擦力を低減し、パッドの磨耗・亀裂を未然に防ぐことが出来る。
一方、バッファー金属層１４０のない領域においては端子とパッドが直接超音波接合する。これより、パッドの亀裂なく十分な接合強度を持った高信頼な端子―基板接合構造を得ることができる。また、本発明におけるパッド１１３ーバッファー金属層１４０―端子１２０接合部は導電性および放熱性に寄与する。
したがって、端子―パッド直接接合面積減少による導電性・放熱性の低下をある程度抑えることができる。なお、バッファー金属層１４０の材質としては、軟らかい金属としてＩｎ、または軟らかく摺動性が高い金属としてＳｎが適用可能である。
一方、バッファー金属層１４０の代わりに樹脂層を用いることが考えられる。しかし、この場合、樹脂が超音波振動により研削され、飛散し、接合面の内側に入り込んでパッドと端子の接合を阻害することが懸念される。また、樹脂が接合面に入り込むことで十分な導電性・放熱性が得られなくなることも懸念される。これに対し、本発明ではバッファー金属層１４０が研削され、飛散して接合面の内側に入り込んだとしても、金属であるために導電性・放熱性への悪影響は小さい。
ここで図１では、端子１２０の端部で超音波振動方向の直角の辺にバッファー金属層１４０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（すなわち紙面に対し鉛直方向上側および下側）も超音波接合時にパッドに圧力が集中してパッドに亀裂が生じるため、側面の端部の下にバッファー金属層１４０を配置しても効果的である。
図９は基板パッド１１３上に形成されるバッファー金属層１４０の例を示す平面図である。図９（ａ）は、図１に示す断面図に対応してバッファー金属層が形成された例である。図９（ａ）のバッファー金属層１４０は、基板パッドの先端部の辺に沿って超音波振動方向と直角方向に形成されている。
図９（ｂ）は、図９（ａ）の構成に加えて、基板パッド１１３の側辺に沿ってもバッファー金属層１４０が形成されている。図９（ｃ）は、基板パッド１１３の内周に沿ってバッファー金属層１４０が形成されている。いずれにしても、図９（ａ）のように、バッファー金属層１４０が、基板パッドの先端部の辺に沿って超音波振動方向と直角方向に形成されていることは必須である。その他の構成は、接続強度、導電性効果、熱伝導効果を勘案してバッファー金属層１４０の要否を決めればよい。
図９に示すバッファー金属層１４０は、Sn、In等であるが、厚さは例えば、５μｍ程度である。また、バッファー金属層の幅ｗは例えば、１ｍｍ程度である。
以下図１における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はセラミックまたは樹脂が一般的である。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望ましい。
基板のパッド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。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。
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８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を準備する。基板１１０は、放熱板１１１の上に絶縁膜１１２を形成し、絶縁膜上にパッド１１３を形成したものである。次に、パッド１１３上にバッファー金属層１４０を形成する。バッファー金属層１４０は、部分めっき等を用いてパッド１１３上の一部にのみ形成する。
その後、パッド１１３及びバッファー金属層１４０上に端子１２０を載せ、図１に示すように超音波接合ツール１３０を端子１２０上に載せ、端子１２０を介して超音波接合ツール１３０により加圧をしながら超音波を印加することにより、パッド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の端部がバッファー金属層１４０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パッド１１３にかかる圧力をやわらげ、パッド１１３に亀裂が入るのを防止することができる。バッファー金属層１４０を介入した部分は、パッド１１３・端子１２０間の接合強度への寄与は小さいものの、導電性・放熱性への寄与は十分である。また、端子１２０の端部以外の部分で端子１２０とパッド１１３は直接接合され、十分な接合強度及び導電性・放熱性を得ることができる。
ここで、バッファー金属層１４０の形成方法には次のようなものもある。第１の方法として、端子の縁を含む領域に部分めっき等によりバッファー金属層を形成する方法が挙げられる。また、第２の方法として、金属を箔状にして基板パッド上の端子縁直下の領域に設置する。その上に端子を設置し、上から接合ツールにより超音波接合する方法が挙げられる。
図１１は本構造を実現するための別の超音波接合構造の模式図である。端子の接合面に突起１２１を設け、バッファー金属層１４０は端子の接合面を含む全面に設けている。このようにすると、超音波接合時にバッファー金属１４０が凸部１２１の外へ押し出され、図１３のように端子凸部がバッファー金属１４０を貫通してパッドと直接接合される。
つまり、超音波加圧時において、端子凸部１２１の頂点における圧力が最も大きくなり、頂点から離れるにしたがって圧力が小さくなる。このため、超音波振動によりバッファー金属１４０が突起先端から外に向かって押し出される。
突起１２１頂点におけるバッファー金属は次第に薄くなり、突起とパッドが接触し、超音波接合される。なお、突起の高さｈはバッファー金属層の厚さｔよりも大きい必要がある。また、同様な効果は、端子の接合面を図１２のように凸曲面とすることでも得られる。この場合も凸曲面のたわみｈはバッファー金属層の厚さｔよりも大きくしておく必要がある。
このような構造とすることで、高コストな部分めっきの必要がなくなり、低コストな全面めっきでも上記構造を達成できる。突起および凸曲面の形成は打ち抜き加工が安価である。
ここで、図１１および図１２ではバッファー金属１４０を端子１２０の表面に設けているが、基板パッド１１３の上面に設けた場合も同様な効果が得られることは明らかである。この場合は基板パッドにバッファー金属をめっきするか、箔状にしたバッファー金属を基板パッドに設置する。
また、図１２では超音波振動方向において凸になるように凸曲面を設けているが、超音波振動方向とは垂直な方向に凸曲面を設けてもよい。また、図１５（ａ）、図１５（ｂ）に示すように端子裏面に碁盤目状に突起を設けることも効果的である。
溝の角度は図１５（ａ）と図１５（ｂ）の間でもよい。あるいは図１５（ｃ）に示すような線状突起を端子裏面に設けることも効果的である。線状突起は超音波振動方向と平行に設けるのがよい。３０程度まで傾いても効果はある。
なお、本発明の効果を確認するための実験を行ない、パッド亀裂が発生せず、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。以下にその手順を記述する。まず、基板１１０を準備した。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１２０ｕｍ）を形成し、絶縁膜上にパッド１１３（Ｃｕ、厚さ１０５ｕｍ）を形成し、基板１１０とした。次に、端子１２０を準備した。幅０．６ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ、長さ１０ｍｍのＣｕ棒を準備した。次に、部分めっきによりこのＣｕ棒の端部近傍にのみバッファー金属層１４０（Ｓｎ、厚さ５ｕｍ）を形成した。
その後、パッド１１３上に端子１２０を載せ、図１に示すように超音波接合ツール１３０を端子１２０上に載せ、端子１２０を介して超音波接合ツール１３０により加圧をしながら超音波を印加することにより、パッド１１３と端子１２０を接合した。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。接合部に亀裂は認められなかった（パッド保護効果があることが確認できた）。
本発明の別の実施例を図１０を用いて説明する。本実施例では、バッファー金属層の形状が実施例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バッファー金属層が部材１４１および部材１４２に分断されている。すなわち、バッファー金属層１４０は当初は連続膜であるが、超音波接合時に端子端部において超音波エネルギーによって分断されている。
この場合、端子の端部の真下にバッファー金属層が存在しないが、バッファー金属層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端部の真下のパッド１１３にかかる圧力が軽減されており、パッドに亀裂は認められなかった（パッド保護効果があることが確認できた）。
本発明の第３の実施例を図１３を用いて説明する。超音波接合面に突起を有する端子が突起先端部周辺において基板パッドと超音波接合された構造である。突起の高さｈを０．２ｍｍ、めっき厚さｔを５μｍとしたところ、接合部に亀裂は認められなかった（パッド保護効果があることが確認できた）。
本発明の第４の実施例を図１４を用いて説明する。超音波接合面に突起を有する端子が突起先端部周辺において基板パッドと超音波接合された構造である。凸曲面のたわみｈを０．２ｍｍ、めっき厚さｔを５μｍとしたところ、接合部に亀裂は認められなかった（パッド保護効果があることが確認できた）。
１１０、２１０、３１０…パワーモジュール基板、１１１…基板放熱ベース、１１２…基板絶縁層、１１３、２１３…基板パッド、１１４…基板パッドに発生した磨耗、１１５…パッドに生じた亀裂、１２０…端子、１２１…端子の突起、１３０、３３０…超音波接合ツール、１３１、３３１…超音波接合ツールによる加圧領域、１４０…バッファー金属層、１４１、１４２…分断されたバッファー金属層、１５１…間隙、２３０…高発熱パワーデバイス、２４０…パワーモジュール基板／Ｃｕ端子接続はんだ、２５０…車載電子装置内モジュール（非パワーモジュール）、２６０…パワーモジュールＣｕ端子／その他のモジュール接続はんだ、３２１…端子縁。

Claims (17)

  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積層構成されている接続構造であって、
    前記第３の金属層の端部において前記第２の金属層との間に、前記第２の金属層を構成する金属よりも軟かい金属で形成されたバッファー金属層が形成されており、
    前記バッファー金属層は、前記第２の金属層の１部を被覆していることを特徴とする接続構造。
  2. 前記第３の金属層の端部の真下に前記バッファー金属層が存在することを特徴とする請求項１に記載の接続構造。
  3. 前記バッファー金属層がＳｎまたはＩｎおよびそれらを含む合金から成ることを特徴とする請求項１に記載の接続構造。
  4. 導電性基板上に絶縁層が形成され、前記絶縁層の上に配線と金属パッドが形成され、前記金属パッドに端子が接続しているパワーモジュールであって、
    前記金属パッドの１部には前記金属パッドを構成する金属よりも柔らかい金属によるバッファー金属が形成され、
    前記バッファー金属は、前記端子の端部と前記金属パッドの間に存在していることを特徴とするパワーモジュール。
  5. 前記バッファー金属層がＳｎまたはＩｎおよびそれらを含む合金から成ることを特徴とする請求項４に記載の接続構造。
  6. 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積層構成されている接続構造の形成方法であって、
    前記第２の金属層の１部に前記第２の金属層よりも軟らかい金属によるバッファー金属層を配置し、
    前記バッファー金属層の上に前記第３の金属の端部を配置し、
    超音波によって前記第２の金属と前記第３の金属を接合することを特徴とする端子構造の形成方法。
  7. 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積層構成されている接続構造の形成方法であって、
    前記第３の金属層の端部に前記第２の金属層よりも軟らかい金属によるバッファー金属層を配置し、
    前記バッファー金属層を前記第２の金属層の上に配置し、
    超音波によって前記第２の金属と前記第３の金属を接合することを特徴とする端子構造の形成方法。
  8. 導電性基板上に絶縁層が形成され、前記絶縁層の上に配線と金属パッドが形成され、前記金属パッドに端子が接続しているパワーモジュールの製造方法であって、
    前記金属パッドの１部に前記金属パッドを構成する金属よりも柔らかい金属によるバッファー金属を配置し、
    前記バッファー金属の上に前記端子の端部を配置し、
    超音波によって前記第２の金属と前記第３の金属を接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
  9. 導電性基板上に絶縁層が形成され、前記絶縁層の上に配線と金属パッドが形成され、前記金属パッドに端子が接続しているパワーモジュールの製造方法であって、
    前記端子の端部に前記金属パッドを構成する金属よりも柔らかい金属によるバッファー金属を配置し、
    前記バッファー金属層を前記第２の金属層の上に配置し、
    超音波によって前記第２の金属と前記第３の金属を接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
  10. 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積層構成されている接続構造の形成方法であって、
    前記第２の金属層の少なくとも１部に前記第２の金属層よりも軟らかい金属によるバッファー金属層を配置し、
    前記バッファー金属層の上に、前記バッファー金属層側に突起を有する前記第３の金属を配置し、
    超音波によって前記第２の金属と前記第３の金属を接合することを特徴とする端子構造の形成方法。
  11. 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積層構成されている接続構造の形成方法であって、
    前記第３の金属層の前記第２の金属層側の面の少なくとも一部に前記第２の金属層を構成する金属よりも柔らかい金属によるバッファー金属を配置し、
    前記第３の金属層の前記第２の金属層側に単数または複数の突起を形成し、
    前記バッファー金属層を前記第２の金属層の上に配置し、
    超音波によって前記第２の金属と前記第３の金属を接合することを特徴とする端子構造の製造方法。
  12. 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積層構成されている接続構造の形成方法であって、
    前記第２の金属層の少なくとも一部に前記第２の金属層を構成する金属よりも柔らかい金属によるバッファー金属を配置し、
    前記第３の金属層の前記第２の金属層側に凸曲面を形成し、
    前記バッファー金属層を前記第２の金属層の上に配置し、
    超音波によって前記第２の金属と前記第３の金属を接合することを特徴とする端子構造の製造方法。
  13. 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積層構成されている接続構造の形成方法であって、
    前記第３の金属層の前記第２の金属層側の面の少なくとも一部に前記第２の金属層を構成する金属よりも柔らかい金属によるバッファー金属を配置し、
    前記第３の金属層の前記第２の金属層側に凸曲面を形成し、
    前記バッファー金属層を前記第２の金属層の上に配置し、
    超音波によって前記第２の金属と前記第３の金属を接合することを特徴とする端子構造の製造方法。
  14. 導電性基板上に絶縁層が形成され、前記絶縁層の上に配線と金属パッドが形成され、前記金属パッドに端子が接続しているパワーモジュールの製造方法であって、
    前記金属パッドの少なくとも１部に前記金属パッドよりも軟らかい金属によるバッファー金属層を配置し、
    前記バッファー金属層の上に、前記バッファー金属層側に単数または複数の突起を有する前記端子を配置し、
    超音波によって前記金属パッドと前記端子を接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
  15. 導電性基板上に絶縁層が形成され、前記絶縁層の上に配線と金属パッドが形成され、前記金属パッドに端子が接続しているパワーモジュールの製造方法であって、
    前記端子の前記金属パッド側の面の少なくとも一部に前記金属パッドを構成する金属よりも柔らかい金属によるバッファー金属を配置し、
    前記端子の前記金属パッド側に単数または複数の突起を形成し、
    前記バッファー金属層を前記金属パッドの上に配置し、
    超音波によって前記金属パッドと前記端子を接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
  16. 導電性基板上に絶縁層が形成され、前記絶縁層の上に配線と金属パッドが形成され、前記金属パッドに端子が接続しているパワーモジュールの製造方法であって、
    前記金属パッドの少なくとも一部に前記金属パッドを構成する金属よりも柔らかい金属によるバッファー金属を配置し、
    前記端子の金属パッド側に凸曲面を形成し、
    前記バッファー金属層を前記金属パッドの上に配置し、
    超音波によって前記金属パッドと前記端子を接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
  17. 導電性基板上に絶縁層が形成され、前記絶縁層の上に配線と金属パッドが形成され、前記金属パッドに端子が接続しているパワーモジュールの製造方法であって、
    前記端子の前記金属パッド側の面の少なくとも一部に前記金属パッドを構成する金属よりも柔らかい金属によるバッファー金属を配置し、
    前記端子の金属パッド側に凸曲面を形成し、
    前記バッファー金属層を前記金属パッドの上に配置し、
    超音波によって前記金属パッドと前記端子を接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
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