JP2012124247A - 接合具、半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents

接合具、半導体装置の製造方法および半導体装置 Download PDF

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修三 荒谷
Kenichi Hayashi
建一 林
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Abstract

【課題】最高到達温度が高く、温度変化量が大きくなっても、信頼性の高い半導体装置を得ることを目的とする。
【解決手段】接合具７を、棒状をなし、長手方向の一端に形成され、リボン４を電極３ｆ、２ｂに押圧する押圧部７Ｐは、長手方向に略垂直に形成された平面部７ＰＢと、平面部７ＰＢから長手方向の外側に突出するように、平面部７ＰＢ内に分散して形成された複数の突起７ＰＵと、を備え、平面部７ＰＢの一側７Ｐ２には、平面部７ＰＢと接線を共有して長手方向に向かって湾曲する曲面部７Ａが形成されているように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の配線に用いる接合具、これを用いた半導体装置の製造方法と、その製造方法により製造した半導体装置に関する。
半導体装置の中でも電力用半導体装置は、鉄道車両、ハイブリッドカー、電気自動車等の車両、家電機器、産業用機械等において、比較的大きな電力を制御、整流するために利用されている。また、近年はシリコン（Ｓｉ）に代わる半導体材料としてワイドバンドギャップ半導体材料である炭化珪素（ＳｉＣ）が注目されており、ＳｉＣからなる半導体素子では、１５０℃〜３００℃の高温状態でも安定動作が可能であり、高電流密度動作と高温動作の両立が可能な半導体材料として期待されている。
ところで、半導体装置では、電力用も含め、半導体素子の下面の電極面を絶縁基板上の回路パターンにはんだ接合し、上面の電極面にアルミニウムのワイヤ状のボンディング部材（以下、ワイヤと称する）を超音波接合して半導体素子の給電経路を形成していた。しかし、ワイヤは一般的に直径の上限があり、流れうる電流に制限があった。そこで、高い電流密度が要求される電力用半導体装置では、半導体素子上面の電極面と当該半導体素子から離れた端子とを接続する導電部材として、リボンやテープと称される帯状のボンディング部材（以下、リボンと称する）が使用されるようになってきた。このようなリボンは、一般に、先端に凹凸面を設けたボンディングツールと呼ばれる接合具を押しあて、接合具に超音波振動を加えることで、被接合物である半導体素子や端子と接合することができる。
このようなリボンを使用する場合、リボンが被接合材以外の部分と接触するのを防止するため、例えば接合部分である半導体素子の電極面に対して上方に立ち上がるようにやまなりに配線される。しかし、電力用半導体装置では、温度サイクル環境にさらされるので、リボンの伸縮に伴い、ネック部とよばれる立ち上がり部分に繰り返し応力が加わる。リボンの被接合体との接合部分は、原理的に厚みが薄くなっているので、接合部分と非接合部分との境界部分で屈曲したような状態でネック部が形成され、繰り返しの熱応力が集中して破壊しやすくなるという問題があった。
そこで、接合具の先端面の幅方向の長さをボンディング材の幅よりも小さくして、リボンの幅方向の外側部分に、ボンディング材を押し当てない未押し当て部を形成し、リボンの外側部分で元の厚みを保持するようにした半導体装置の配線方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００８−２７０４１８号公報（段落００１７〜００２１、図１〜図３）
しかしながら、幅方向での内側では、接合部と被接合部にかけて薄い部分と元の厚い部分の境界部分で段差状に厚みが変化するので、やはり境界部分で急角度に立ち上がってネック部が形成される。そのため、このような場合でも、繰り返しの熱応力が、境界部分に集中し、境界部分で発生した亀裂が外側の元の厚みの部分にも進行やすくなり、破壊を防止することが困難であるという問題があった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、接合信頼性が高く、長寿命の電力用半導体装置を得ることを目的としている。
本発明の接合具は、半導体素子が装着された回路基板に並設された電極のうち、少なくとも２つの電極に帯状の配線部材を順次圧着して接合することにより、前記２つの電極間を配線するために使用される接合具であって、棒状をなし、長手方向の一端に形成され、前記帯状の配線部材を前記電極に押圧する押圧部は、前記長手方向に略垂直に形成された平面部と、前記平面部から前記長手方向の外側に突出するように、前記平面部内に分散して形成された複数の突起と、を備え、前記平面部の一側には、前記平面部と接線を共有して前記長手方向に向かって湾曲する曲面部が形成されていることを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体装置が装着された回路基板に並んだ電極のうちの２つの電極間を帯状の配線部材で配線する半導体装置の配線方法であって、上記接合具の直下に前記２つの電極のうちの先に接合する第１の電極がくるように前記接合具と前記第１の電極との位置を合わせる工程と、前記接合具と前記第１の電極との間に前記帯状の接合部材の一端部を挿入する工程と、前記接合具により、前記帯状の配線部材の一端部を前記第１の電極に圧着する工程と、前記接合具を前記第１の電極から引き離すとともに、前記帯状の配線部材の他端側を前記第１の電極から立ち上がらせる工程と、前記２つの電極のうちの後に接合する第２の電極と前記帯状の配線部材の他端側を接合する工程と、を備え、前記位置を合わせる工程では、前記平面部の側部のうち、前記曲面部が形成された側部を前記第２の電極に向けることを特徴とする。
本発明の半導体装置は、回路面が形成された回路基板と、前記回路面に一方の面が接合された半導体素子と、前記回路面に形成された端子電極と、前記半導体素子の他方の面に形成された電極と、前記端子電極とに対して、上記半導体装置の製造方法を用いてやまなりに配線された帯状の配線部材と、を備えたことを特徴とする。
本発明の接合具によれば、曲面部によって、帯状の接合部材のネック部に長さ方向の所定の範囲が湾曲形状となるので、ネック部に係る応力が所定範囲内に分散されることにより、最高到達温度が高く、温度変化量が大きくなっても、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
本発明の実施の形態１にかかる接合具の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１にかかる接合具を用いた半導体装置の配線方法および配線工程にともなう接合部の状態を説明するための部分断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる接合具を用いて接合した配線部材の接合部の状態を説明するための図である。 本実施の形態１にかかる接合具に形成された曲面部の効果を確かめるための試験方法を説明するための図である。 本実施の形態１にかかる接合具に形成された曲面部の効果を確かめるための試験結果を示す図である。 従来の接合具の構成を説明するための図である。 従来の接合具を用いた半導体装置の配線方法および配線工程にともなう接合部の状態を説明するための部分断面図である。 従来の接合具を用いて接合した配線部材の接合部の状態を説明するための図である。 本発明の実施の形態２にかかる接合具の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態２にかかる接合具を用いた半導体装置の配線方法および配線工程にともなう接合部の状態を説明するための部分断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる接合具を用いて接合した配線部材の接合部の状態を説明するための図である。 本発明の実施の形態３にかかる接合具の構成を説明するための図である。
実施の形態１．
図１〜図６は、本発明の実施の形態１にかかる接合具、当該接合具を用いた配線方法、および当該配線方法によって製造した電力用半導体装置について説明するためのものである。図１は、接合具の構成を説明するために、接合具のうち、押圧部として機能する一端側近傍部分を拡大して示したもので、図１（ａ）は側面から見た図、図１（ｂ）は一端側から見た図である。図２は、上述した接合具を用いて配線、つまり、製造した電力用半導体装置を説明するためのもので、電力用半導体装置のうちの、絶縁基板１に実装された半導体素子部分と、その半導体素子と配線部材であるリボンにより電気的に接合される端子である回路パターン部分をリボンとともに示しており、図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線による断面図である。図３は、実施の形態１にかかる接合具を用いた配線方法を説明するための、接合具を用いてリボンを半導体素子にファーストボンドとして圧着する際の各工程におけるリボンの状態を示すもので、図２（ｂ）における半導体素子とリボンとの接合部分を拡大した部分に相当する。図４は、半導体素子とリボンとの接合部分を拡大した斜視図である。図５は、本実施の形態１の各実施例および比較例にかかる接合具を用いて接合・配線した際の配線におけるネック部の疲労試験方法を説明するための図であり、図６は、本実施の形態１の各実施例および比較例にかかる接合具を用いて接合・配線した配線の疲労試験による、曲面部の曲率半径と寿命との関係を示す試験結果である。なお、図７〜図９は、比較例として曲面部を設けない従来の接合具の例と、従来の接合具を用いて配線を行った際のリボンの形状を説明するためのもので、それぞれ本実施の形態における図１と図３、図４に対応する図である。
はじめに、図１を用いて本発明の実施の形態１にかかる接合具７の概略について説明する。
接合具７はボンディングツールとも呼ばれ、概略棒状をなし、長手方向（ｚ方向）の一端に帯状の接合部材であるリボンを電極に圧着するための押圧部７Ｐが形成され、図示しない他端側から伝えられた超音波振動等による圧力によって、リボンを例えば半導体素子に形成された電極に圧着するものである。これにより、半導体素子が装着された回路基板に並んだ電極のうち、少なくとも２つの電極にリボンを順次圧着して接合することにより、２つの電極間を配線することができる。そして、本実施の形態１にかかる接合具７においては、押圧部７Ｐは、圧着時に電極に対して平行に当たるように、接合具７の長手方向（ｚ）に略垂直に形成された平面部７ＰＢと、平面部７ＰＢから長手方向の外側に突出するように、平面部７ＰＢ内に分散して形成された複数の突起７ＰＵと、を備え、平面部７ＰＢのうち、配線する２つの電極のうちの先に接合する電極にリボンを圧着する際に、次に接合する電極に向かう側面７Ｌ２側の一端７Ｐ２には、平面部７ＰＢと接線を共有して長手方向の内側（図中上向き）に向かって湾曲する曲面部７Ａが形成されている。また、側面７Ｌ２と対向する側面７Ｌ１は、ともに、平面状に形成されており、長手方向に垂直な断面は、平面部７ＰＢ同様、側部に平行な２辺７Ｐ１、７Ｐ２を有する形状となっている。なお、接合具７の特徴である曲面部７Ａの形状は、配線部材であるリボンの形態にかかわってくるので、曲面部７Ａの詳細な説明の前に、半導体装置全体について説明する。
電力用半導体装置１０は、図２に示すように、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、アルミナなどのセラミックス材料からなる絶縁性セラミック板１の回路面１ｆ上に図示しないろう材などで接合された回路パターン２ａ、２ｂ（後述する２ｒも含め、まとめて２）が配置されている。回路パターンは銅、アルミニウムなどの導電性材料またはそれらを主成分とする合金材料からなる。さらに、回路パターン２の表面は、酸化防止やはんだ材料の濡れ性を考慮して、ニッケルなどのめっき被膜が形成されている。なお、以降は、表裏に回路パターン２を有する絶縁性セラミックス板全体を回路基板１と呼ぶことにする。また、図示しないが回路基板１の回路面１ｆの反対側の面（図では回路パターン２ｒが形成されている面）には放熱板が形成されていても良い。
図２では、回路パターン２ａ上にダイボンド用はんだ５を介して半導体素子（チップ）３が接続されている。半導体素子３は、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でも良いが、本発明においては炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料への適用を目的としており、特に炭化ケイ素を用いた半導体素子に適用される。デバイス種類としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）のようなスイッチング素子、またはダイオードのような整流素子である。ＭＯＳＦＥＴの場合、半導体素子３の回路パターン２ａ側の面にはドレイン電極が形成されている。そして、ドレイン電極と反対側（図で上側）の面には、ゲート電極やソース電極が、領域を分けて形成されているが、本発明の実施の形態の特徴を分かりやすくするため、上側の面には、大電流が流れるソース電極に着目して説明する。なお、ドレイン電極の表面には、はんだ材等の接合材との接合を良好とするための複合金属膜が形成されている。ソース電極の表面にも、図示しない厚さ数μｍの薄いアルミニウム、銅などの電極膜やチタン、モリブデン、ニッケル、金などの薄膜層が形成されている。
そして、半導体素子３の上側の面には、帯状の配線部材であるアルミニウム（Ａｌ）ないし銅（Ｃｕ）のリボン４の一端４Ｅ１部分が接合具７によってファーストボンドとして超音波接合される。そして、接合部４Ｊ１の後ろ側を立ち上がらせることにより、リボン４の中間部分４Ｍが電極面３ｆから離れて山なり状にして、セカンドボンドとしてリボン４の他端４Ｅ２部分をまた接合具７によって電極２ｂに接合している。これにより、半導体素子３から図示しない外部回路等への給電経路が形成される。なお、図２では、説明を簡略化するため、１本のリボン４しか示していないが、電流容量を確保するため、複数本を並べて配置してもよい。
以降、図では、半導体装置１内の１本のリボン４に注目し、半導体素子３の電極面３ｆをｘｙ面としてファーストボンド部からセカンドボンド部向かう方向をｙ、リボン４の幅方向をｘ、電極面３ｆに垂直な方向をｚとして説明する。
つぎに、接合具７の構成および接合具７を用いた配線方法（接合）についての詳細を図３、図４を用いて説明する。
帯状の配線部材であるリボン４は、断面形状が、幅（ｘ方向）２０００μｍ、厚さｔｏ（ｚ方向）２００μｍの矩形をなすアルミニウム（Ａｌ）リボンで、配線時には図示しないフィーダーから連続的に供給され、テープと称されることもある。接合具７は、押圧部７Ｐのｘ方向の幅がリボン４よりやや広い約２２００μｍ、ｙ方向の幅（７Ｐ１−７Ｐ２間）が約９００μｍであり、その中に、高さ１００μｍの突起７ＰＵが分散して複数配置されている。
このように構成された接合具７を、押圧部７Ｐと電極３ｆとの間にリボン４を挟み込み、平面部７ＰＢを電極３ｆに対して平行（ｘｙ）になるように押し当て、他端側に接続した超音波ホーンなどから超音波振動を伴う圧力が伝えられることにより、リボン４を電極３ｆに圧着して接合することができる。このとき、ファーストボンドを形成する際は、図３（ａ）に示すように、リボン４に接合具７を押し当てる前に、接合具７の直下に半導体素子３が来るように位置合わせされ、端部４Ｅ１が左側に向かうように、電極３ｆと接合具７との間にリボン４が挿入される。
つまり、ファーストボンド形成時の金属リボン４に対する接合具７の位置関係は、接合具７の曲面部７Ａを介して平面部７ＰＢと連なる側面７Ｌ２が、リボン４を供給する側（図中右側）になるように取り付けられる。これを電極間の位置関係で表現すると、平面部７ＰＢとの間に曲面部７Ａが形成された側面７Ｌ２が、ファーストボンドによる接合時にセカンドボンドによる接合部４Ｊ２（ｙ方向の半導体素子３から電極２ｂ側）向かうことになる。これにより、リボン４のうち、ファーストボンド時にネック部４ｎ１（セカンドボンドのネック部を４ｎ２とし、まとめて４ｎと称する。）となる領域の表面４ｆｆが曲面部７Ａと接することになる。なお、リボン４は、図示しないリボンフィーダーにより、電極３ｆからｚ方向に離れた位置から供給されることになるので、電極３ｆ上に引き出された時点で厚み方向において内径Ｒｏで曲がることになる。
つぎに、図３（ｂ）に示すように、接合具７を押し当て、他端側から伝えられた超音波を印加してリボン４を電極３ｆに対して圧着して接合する。これにより、接合具７の押圧部７Ｐの形状がリボン４に転写され、突起７ＰＵが当たった部分は、突起７ＰＵが食い込むことによって厚みｔＵが８０μｍ程度まで薄くなる。一方、突起７ＰＵが当たっていない部分でも、平面部７ＰＢが当たっている部分の厚みｔＢは、元の厚みｔｏよりも１割ほど薄い１８０μｍとなる。つまり、リボン４のうち、押圧部７Ｐが当たっている領域は厚みが元の厚みよりも薄くなるほど変形し、電極３ｆと接触する界面に、強固な接合層ＬＪが形成される。
このとき、ネック部４ｎ１では、曲面部７Ａが当たっている部分に平面部７ＰＢと接線を共有して曲率半径ＲＡで湾曲する曲面部７Ａの形態が転写されるとともに、図示しないフィーダーでリボン４の他端４Ｅ２側が支持されることで、電極３ｆに対して角度ＡＤ１で立ち上がることになる。そして、接合層ＬＪが形成された部分からネック部４ｎ１にかけては、厚みｔＢから徐々に元の厚みｔｏに向かって変化する。
このように、超音波振動を伴って押さえつけることによって接合層ＬＪが形成されると、図３（ｃ）に示すように、接合具７を電極３ｆから離す方向（ｚ）に引き上げる工程に入る。この工程では、セカンドボンドとなる端子２ｂ（厳密には電極面２ｂｆ）との接合部４Ｊ２間をやまなりに配線するため、接合具７とともに、リボンガイド８も真上に動かす。リボンガイド８には、図示しない挟持部が備えられ、リボン４を上方に引っ張りながら引き上げるので、接合具７とリボンガイド８が真上に動くに連れて、リボン４の立ち上がり角度がＡＤ１からＡＤ２に大きくなる。このとき、接合層ＬＪが形成された接合部４Ｊ１の領域は、半導体素子３に対して固定されているので、リボン４はネック部４ｎ１を中心として立ち上がることになる。しかし、接合具７に平面部７ＰＢと接線を共有する曲面部７Ａが形成されているため、平面部７ＰＢの転写によって元の厚みｔｏよりも薄くなった厚みｔＢの部分４ＪＢからネック部４ｎ１にかけてスムーズに厚みが厚くなっている。しかも、ネック部４ｎ１の表面４ｆｆ側がすでに湾曲しているため、一点を中心に立ち上がるのではなく、湾曲した区間全体で曲率半径ＲＡより小さな曲率半径ＲＡＢまで湾曲することになる。とくに、湾曲面が一定の曲率半径ＲＡで円弧状に形成されているので、湾曲面内でほぼ均一に湾曲されることになる。
なお、曲面部７Ａは、側面７Ｌ２と接線を共有するように形成する必要はなく、平面部７ＰＢがリボン４の厚み方向に沈み込んだ際に、リボン４の元の厚みｔｏの位置まで接する程度まで形成されていればよい。また、ネック部４ｎ１の表面４ｆｆにおいて、曲率半径ＲＡＢが形成された部分と元の厚みｔｏ部分との境界は角状にとがることもあるが、凸状に形成されるので、その角（境界）に湾曲が集中して屈曲するようなことはない。また、曲面部７Ａの適した形態として、一定の曲率半径の円弧面にする例を示したが、曲率が途中で変化する曲面であってもよい。その場合、曲率のプロフィールによって、リボンを引き上げる際にネック部内で湾曲する領域や領域毎の湾曲率を適宜調整することができる。
上記のようにしてファーストボンドを行い、リボン４がやまなりになるように端子２ｂとの接合であるセカンドボンドを実施する。このように配線することにより、ネック部４ｎ１は、図４に示すように、リボンの長さ方向（ｙ方向）における破線部分から所定長さを有する領域全体で湾曲するようになるので、応力が領域全体に分散されることによって緩和され、ヒートサイクルに対するネック部４ｎ１の寿命を延ばすことができる。
ここで、曲面部７Ａの効果を確認するため、様々な曲率半径ＲＡの曲面部７Ａを形成した接合具を試作し、厚みの異なる数種のリボンを用いて、図５に示すようにダミー電極間をループ配線して、疲労試験を実施した。図において、銅板による２つのダミー電極ＭＥ１、ＭＥ２のうち、ダミー電極ＭＥ１にリボン４のファーストボンドを行い、ダミー電極ＭＥ２にセカンドボンドを行ってリボン４をループ配線する。そして、ファーストボンド側のダミー電極ＭＥ１側を固定した状態で、セカンドボンド側のダミー電極ＭＥ２側をループ方向に沿った変位ＤＭ＝１ｍｍの動きを繰り返し、ネック部４ｎ１に亀裂が生じたサイクル数を寿命と定義して寿命試験を実施した。なお、今回の試験で設定した変位ＤＭ１ｍｍは、温度差３００℃で生ずる変位よりも大きく、加速試験となっている。
その結果を図６に示す。図において、横軸は曲面部７Ａの曲率半径ＲＡを接合対象のリボン厚みｔｏで規格化した値を示し、縦軸は、その曲率半径（規格値）の曲面部７Ａを有する接合具７を用いて製作したサンプルで亀裂が生じた時のサイクル数を曲率半径０（従来の角状）の接合具Ｐ７を用いて製作したサンプルのサイクル数で規格化した値を示す。なお、各曲率半径においてリボン厚みは７５μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、２５０μｍの５種類を用い、それぞれ曲率半径毎に５個のサンプルを試作し、その平均値を用いた。
その結果、曲面部７Ａの曲率半径ＲＡをリボン厚みｔｏの１／４（０．２５）以上に設定すると、曲率半径ＲＡの増加に伴い寿命が増大していくことが分かった。一方、曲面部７Ａの曲率半径ＲＡをリボン厚みｔｏの１／６より小さく（０．１５）設定したとき、従来（曲率半径０）よりは、寿命を延ばすことができたが、逆にサンプルによって大きくばらついてしまった。つまり、曲面部７Ａの曲率半径ＲＡをリボン厚みｔｏの１／４（０．２５）以上に設定したとき、寿命が安定して従来の１．５倍以上に伸長できることがわかった。
なお、本実施の形態にかかる接合具７での作用を明らかにするための比較例として、曲率半径ＲＡが０である従来の接合具Ｐ７について図７〜図９を用いて説明する。
従来の接合具Ｐ７は、図７に示すように、押圧部Ｐ７Ｐを構成する平面部Ｐ７ＰＢと側面Ｐ７Ｌとの間は角Ｐ７Ｓとなっている。そのため図８（ｂ）に示す接合工程では、突起部Ｐ７ＰＵを配置されて厚みがｔＵまで薄くなった部分４ＪＤ部がネック部Ｐ４ｎ１直近まで形成され、さらに角Ｐ７Ｓの転写による角状の窪みＣが、接合層ＬＪが形成された領域とネック部Ｐ４ｎ１となる領域との境界部分に形成されてしまう。したがって、図８（ｃ）に示すように接合具Ｐ７とリボンガイド８を引き上げる際に、リボン４の接合部Ｐ４Ｊ１では、接合具Ｐ７の平面部Ｐ７ＰＢで厚みｔＵまで薄くなった部分４ＪＤ部と元の厚みｔｏを有する部分との境界部分あるいは角Ｃを中心にループが立ち上がることになる。そのため、ヒートサイクルによる繰り返し応力がネックＰ４ｎ１の長さ方向の特定位置（Ｃあるいは厚みが急変する部分）に集中し、ダメージが大きくなる。
なお、上記例では、側部Ｐ７Ｌの際まで突起Ｐ７ＰＵが形成された例を示したが、例えば、突起Ｐ７ＰＵを形成していなくとも、リボン４の厚みを薄くする平面部Ｐ７ＰＢが側部Ｐ７Ｌの際まで延長されているだけでも厚みが急変する部分が生じる。つまり、平面部Ｐ７ＰＢのために厚みがｔＢまで薄くなったＰ４ＪＢ部がネック部Ｐ４ｎ１まで延長されることになり、角Ｐ７Ｓの転写による角状の窪みＣが、厚みの薄いＰ４ＪＢ部と厚みが元のｔｏとの境界部分に形成されてしまい、応力が集中してダメージを受けやすくなる。
一方、本実施の形態１にかかる接合具７を用いて接合すると、ネック部４ｎ１の曲率半径ＲＡの湾曲形状が形成された領域全体で湾曲するので、ヒートサイクル時の繰返し応力がネック部４ｎ１の長さ方向の所定範囲内に分散するので、応力が緩和され、ダメージを低減できる。また、上記のように平面部７ＰＢに圧縮された部分４ＪＢの厚みが想定以上に薄くなったとしても、応力が集中することが無いので、強固な接合を得るために強く圧着することができるので、接合層ＬＪを強固にして剥離寿命も向上させることができる。
つぎに動作について説明する。
電力用半導体装置１０を駆動させると、半導体素子３をはじめとする電力用半導体装置１０内の様々な素子に電流が流れ、その際、電気抵抗分の電力ロスが熱へと変換され、発熱が生ずる。例えば、半導体素子３に、ＳｉＣのような高性能のワイドバンドギャップ半導体素子が用いられているような場合、電流が大きく、動作時の温度は３００℃にまで達する。このとき、半導体素子３が実装された回路基板１側とリボン４間の線膨張係数に差があるので、半導体素子３とリボン４間の接合界面ＬＪやネック部４ｎに熱応力が発生する。
しかし、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１０では、ネック部４ｎのうち、少なくともファーストボンドのネック部４ｎ１が長さ方向における所定範囲にわたって湾曲しているので、熱応力がネック部４ｎ１内の広い範囲に分散される。さらに、強固な接合層ＬＪを形成しているので耐剥離性も高まっている。そのため、配線部材の接合信頼性が向上する。
なお、上記実施の形態において、帯状の配線部材としてはアルミリボン４を用いた例を示したが、帯状の配線部材の材料としては、アルミニウムに限ることなく、銅、金、銀や合金、あるいはクラッド材等でもよい。さらには、導電材のリボンに薄い導電性の被膜が形成されたようなものであってもよい。
以上のように、本発明の実施の形態１にかかる接合具によれば、半導体素子３が装着された回路基板１に並設された電極のうち、少なくとも２つの電極３ｆ、２ｂｆに帯状の配線部材であるリボン４を順次圧着して接合することにより、２つの電極３ｆ、２ｂｆ間を配線するために使用される接合具７であって、棒状をなし、長手（ｚ）方向の一端に形成され、リボン４を電極３ｆ、２ｂｆに押圧する押圧部７Ｐは、長手方向に略垂直に形成された平面部７ＰＢと、平面部７ＰＢから長手方向の外側に突出するように、平面部７ＰＢ内に分散して形成された複数の突起７ＰＵと、を備え、平面部７ＰＢの一側７Ｐ２には、平面部７ＰＢと接線を共有して長手方向に向かって湾曲する曲面部７Ａが形成されている、ように構成したので、ファーストボンド部４Ｊ１のネック部４ｎ１が長さ方向における所定範囲にわたって湾曲するので、ネック部４ｎ１にかかる応力がネック部４ｎ１内で分散し、接合信頼性が高く、長寿命の電力用半導体装置１０を得ることができる。
とくに、曲面部７Ａを所定の曲率半径ＲＡを有する円弧状に形成したので、ネック部４ｎ１の内径側が円弧状になって均一に湾曲するので、さらに長寿命の電力用半導体装置１０を得ることができる。
さらに、曲面部７Ａの曲率半径ＲＡが、リボン４の厚みｔｏの１／４以上になるように設定したので、様々な厚みのリボンに対して、接合信頼性が高く、長寿命の電力用半導体装置１０を確実に得ることができる。
また、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法によれば、接合具７の直下に先に接合する第１の電極である半導体素子３の電極面３ｆがくるように接合具７と第１の電極３ｆとの位置を合わせる工程と、接合具７と第１の電極３ｆとの間に帯状の接合部材であるリボン４の一端４Ｅ１側の部分を挿入する工程と、接合具７により、リボン４の一端４Ｅ１部を第１の電極３ｆに圧着する工程と、接合具７を第１の電極３ｆから引き離すとともに、リボン４の他端４Ｅ２側を第１の電極３ｆから立ち上がらせる工程と、後に接合する第２の電極である端子電極２ｂｆとリボン４の他端４Ｅ２側を接合する工程と、を備え、位置を合わせる工程では、平面部ＴＰＢの側部のうち、曲面部７Ａが形成された側部７Ｐ２を端子電極２ｂｆに向けるように構成したので、配線により生じたファーストボンド部４Ｊ１近傍のネック部４ｎ１が長さ方向における所定範囲にわたって湾曲するので、ネック部４ｎ１にかかる応力がネック部４ｎ１内で分散し、接合信頼性が高く、長寿命の電力用半導体装置１０を得ることができる。
また、本発明の実施の形態１にかかる（電力用）半導体装置１０によれば、回路面１ｆが形成された回路基板１と、回路面１ｆに一方の面が接合された半導体素子３と、回路面１ｆに形成された端子電極２ｂｆと、半導体素子３の他方の面に形成された電極３ｆと、端子電極２ｂｆとに対して、上述した半導体装置の製造方法を用いてやまなりに配線された帯状の配線部材であるリボン４と、を備えるように構成したので、リボン４のファーストボンド部４Ｊ１近傍のネック部４ｎ１が長さ方向における所定範囲にわたって湾曲するので、ネック部４ｎ１にかかる応力がネック部４ｎ１内で分散し、接合信頼性が高く、長寿命の電力用半導体装置１０を得ることができる。
とくに、ＳｉＣを適用して最高到達温度が３００℃に達しても、ネック部４ｎ１にかかる熱応力を確実に抑制することで信頼性を確保することができる。
実施の形態２．
本実施の形態２にかかる接合具は、押圧部の平面部のうち、曲面部と連なる所定範囲を突起が形成されない平坦面としたことである。その他の構成部分については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
図１０〜図１２は、本発明の実施の形態１にかかる接合具、当該接合具を用いた配線方法について説明するためのものである。図１０は、接合具の構成を説明するために、接合具のうち、押圧部として機能する一端側近傍部分を拡大して示したもので、図１０（ａ）は側面から見た図、図１０（ｂ）は一端側から見た図であり、実施の形態１における図１に相当する。図１１は、実施の形態２にかかる接合具を用いた配線方法を説明するための、接合具を用いてリボンを半導体素子にファーストボンドとして圧着する際の各工程におけるリボンの状態を示すもので、実施の形態１における図３に相当する。図１２は、半導体素子とリボンとの接合部分を拡大した斜視図であり、実施の形態１における図４に相当する。
図１０に示すように、本発明の実施の形態２にかかる接合具２０７では、押圧部２０７Ｐを構成する平面部２０７ＰＢのうち、曲面部２０７Ａから所定長さの範囲が、突起２０７ＰＵが形成されていない平坦面２０７ＰＢＦとなっている。
次に図１１、図１２を用いて、接合具２０７を用いてファーストボンドを行う工程について説明する。
図１１（ａ）に示すように、接合具２０７の直下に半導体素子３が来るように位置合わせし、リボン４の端部４Ｅ１が左側に向かうように、電極３ｆと接合具２０７との間にリボン４を挿入する。このとき、実施の形態１と同様に曲面部２０７Ａを介して平面部２０７ＰＢと連なる側面２０７Ｌ２が、リボン４を供給する側（図中右側）になるように取り付けられる。
つぎに、図１１（ｂ）に示すように、接合具２０７をリボン４の上から押し当て、他端側から伝えられた超音波を印加してリボン４を電極３ｆに対して圧着して接合する。これにより、接合具２０７の押圧部２０７Ｐの形状がリボン４に転写され、突起２０７ＰＵが当たった部分は、突起２０７ＰＵが食い込むことによって厚みｔＵが８０μｍ程度まで薄くなる。一方、突起２０７ＰＵが当たっていない部分でも、平面部２０７ＰＢが当たっている部分の厚みｔＢは、元の厚みｔｏよりも１割ほど薄い１８０μｍとなる。そして、突起２０７ＰＵが形成されていない平坦部２０７ＰＢＦが当たっている範囲では、リボン４は厚みｔＢが一定の平坦な形状となる。
このとき、ネック部２０４ｎ１では、曲面部２０７Ａが当たっている部分に平面部２０７ＰＢと接線を共有して曲率半径ＲＡで湾曲する曲面部２０７Ａの形態が転写されるとともに、その湾曲形状が転写される手前の所定長さの範囲が、厚みｔＢ一定の平坦な状態となる。そして、図示しないフィーダーでリボン４の他端４Ｅ２側が支持されることで、電極３ｆに対して角度ＡＤ１で立ち上がることになる。そして、接合層ＬＪが形成された部分から厚み一定の平坦部分を経て、厚みｔＢから徐々に元の厚みｔｏに向かって変化することでネック部２０４ｎ１に向かう。
このように、接合層ＬＪが形成されると、図１１（ｃ）に示すように、接合具２０７を電極３ｆから離す方向（ｚ）に引き上げる工程に入る。この工程では、セカンドボンドとなる端子２ｂｆとの接合部２０４Ｊ２との間をやまなりに配線するため、接合具２０７とともに、リボンガイド８も真上に動かす。リボンガイド８は、リボン４を上方に引っ張るようにして引き上げるので、接合具２０７とリボンガイド８が真上に動くに連れて、リボン４の立ち上がり角度がＡＤ１からＡＤ２に大きくなる。このとき、接合層ＬＪが形成された接合部４Ｊ１の領域は、半導体素子３に対して固定されているので、リボン４はネック部２０４ｎ１を中心として立ち上がることになる。しかし、接合具２０７に曲面部２０７Ａが形成されているため、平面部２０７ＰＢの転写によって元の厚みｔｏよりも薄くなった厚みｔＢの部分２０４ＪＢからネック部２０４ｎ１にかけて徐々に厚みが厚くなっている。しかも、ネック部２０４ｎ１の表面４ｆｆ側がすでに湾曲しているため、一点を中心に立ち上がるのではなく、湾曲した区間全体で曲率半径ＲＡより小さな曲率半径ＲＡＢまで湾曲することになる。とくに、湾曲面が助走区間ともいうべき厚み一定の平坦部分２０４ＪＢＦを経て一定の曲率半径ＲＡで円弧状に形成されているので、平坦部分２０４ＪＢＦとネック部２０４ｎ１との境界近傍で厚みが極端に薄くなった特異な部分が存在せず、湾曲面内でほぼ均一に湾曲されることになる。
上記のようにしてファーストボンドを行い、リボン４がやまなりになるように端子２ｂとの接合であるセカンドボンドを実施する。このように配線することにより、ネック部２０４ｎ１は、図１２に示すように、リボンの長さ方向（ｙ方向）における破線部分から所定長さを有する領域全体で湾曲するようになるので、応力が領域全体に分散されることによって緩和され、ヒートサイクルに対するネック部２０４ｎ１の寿命を延ばすことができる。さらに、湾曲部分と接合部２０４ＪＢとの間に平坦部分２０４ＪＢＦが形成されることによって、実施の形態１で示したファーストボンド部４Ｊ１のネック部と比較すると、突起２０７ＰＵの転写によって厚みが極端に薄くなった部分（４Ｊｄ）がネック部２０４ｎ１から遠ざかっているので、繰り返し応力によるダメージをさらに低減出来る。このことから、ファーストボンド部２０４Ｊ１のネック部２０４ｎ１の疲労寿命をさらに向上させることが出来るといったメリットがある。
また、実施の形態１と同様、平面部２０７ＰＢに圧縮された部分２０４ＪＢの厚みが想定以上に薄くなったとしても、応力が集中することが無いので、強固な接合を得るために強く圧着することができるので、接合層ＬＪを強固にして剥離寿命も向上させることができる。なお、実験によれば、平坦部２０７ＰＢＦの曲面部２０７Ａからの長さ（幅）は、突起２０７ＰＵ１個分の幅の半分以上あればよく、さらに好ましくは突起２０７ＰＵ１個分の幅があれば良い（図１０（ａ）では、接合具２０７の平坦部２０７ＰＢＦの幅が突起２０７ＰＵ１個分の幅である場合を示している。）。
以上のように、本発明の実施の形態２にかかる接合具２０７によれば、押圧部２０７Ｐを構成する平面部２０７ＰＢのうち、曲面部２０７Ａから所定長さの範囲が、突起２０７ＰＵが形成されていない平坦面２０７ＰＢＦとなっているように構成したので、温度変化が大きくても、接合信頼性が高く、長寿命の電力用半導体装置１０を得ることができる。
実施の形態３．
上記実施の形態１と２では、ファーストボンド部４Ｊ１を中心に説明を行ってきた。これは、実施の形態１の図２で示したように、ファーストボンド部４Ｊ１の方が、セカンドボンド部４Ｊ２よりもループの立ち上がりが急なため、より大きな寿命改善の効果が期待できるためである。しかし、ファーストボンド部４Ｊ１ほどではないにしろ、セカンドボンド部４Ｊ２のネック部４ｎ２にも熱応力が加わることになる。そこで、本実施の形態３にかかる接合具では、セカンドボンド部４Ｊ２でのネック部４ｎ２の信頼性向上も考慮して、実施の形態１や２における曲面部が形成された側面と対向する側面についても、平面部との間に湾曲した第２の曲面部を備えるようにしたものである。その他の構成部分については、実施の形態１や２と同様であるので説明を省略する。
図１３は、本実施の形態３にかかる接合具の構成を説明するために、接合具のうち、押圧部として機能する一端側近傍部分を拡大して示したもので、図１３（ａ）は側面から見た図、図１３（ｂ）は一端側から見た図であり、それぞれ実施の形態１における図１と対応する部分である。図において、接合具３０７には、実施の形態１における曲面部７Ａに対応する曲面部３０７Ａ２が形成された側面３０７Ｌ２、に対向する側面３０７Ｌ１にも、平面部３０７ＰＢと接線を共有して長手方向の内側に向かって湾曲する第２の曲面部３０７Ａ１が形成されている。第２の曲面部３０７Ａ１が形成された側面３０７Ｌ１は、セカンドボンドを行う際にファーストボンド部側を向く側面であり、第２の曲面部３０７Ａ１は、セカンドボンド部近傍のネック部３０４ｎ２に湾曲形状を形成する機能を有する。このため、ファーストボンド部のみならず、セカンドボンド部のネック部の疲労寿命を向上させることも出来る。
つまり、本発明の実施の形態３にかかる接合具３０７によれば、セカンドボンド部である次に接合する電極２ｂｆにリボン４を圧着する際に、先に接合した電極３ｆに向かう側面３０７Ｌ１側の側部である平面部３０７ＰＢにおける一側３０７Ｐ２に対向する側部３０７Ｐ１にも、平面部３０７ＰＢと接線を共有して長手方向に向かって湾曲する第２の曲面部３０７Ａ１が形成されている、ように構成したので、セカンドボンド部のネックの寿命も向上し、長寿命の電力用半導体装置１０を得ることができる。
なお、上記各実施の形態においては、スイッチング素子（トランジスタ）や整流素子（ダイオード）として機能する半導体素子３には、炭化ケイ素によって形成されたものを示したが、これに限られることはなく、一般的に用いられているケイ素（Ｓｉ）で形成されたものであってもよい。しかし、ケイ素よりもバンドギャップが大きい、いわゆるワイドギャップ半導体を形成できる炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた時の方が、以下に述べるように本発明による効果をより一層発揮することができる。
ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子や整流素子（各実施の形態における半導体素子３）は、ケイ素で形成された素子よりも電力損失が低いため、スイッチング素子や整流素子における高効率化が可能であり、ひいては、電力用半導体装置１０の高効率化が可能となる。さらに、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子や整流素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子や整流素子を用いることにより、電力用半導体装置１０も小型化が可能となる。また耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置１０の一層の小型化が可能になる。
一方、上記のように高温動作する場合は停止・駆動時の温度差が大きくなり、さらに、高効率・小型化によって、単位体積当たりに扱う電流量が大きくなる。そのため経時的な温度変化や空間的な温度勾配が大きくなり、リボン４と回路基板１間の熱膨張差が際立ち、ネック部４ｎにかかる熱応力も大きくなる可能性がある。しかし、本発明の各実施の形態に示すように、少なくともファーストボンド部のネック部４ｎ１が所定の長さ範囲にわたって湾曲するようにしたので、ネック部の一部に応力が集中することを防止して、適切に緩和されるので、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かして、小型化や高効率化を進めてもパワーサイクル寿命が長く、信頼性の高い電力用半導体装置１０を得ることが容易となる。つまり、本発明による効果を発揮することで、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かすことができるようになる。
なお、スイッチング素子及び整流素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていても、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよい。
１ 絶縁基板（回路基板）、 １ｆ 回路面、 ２ 回路パターン（２ａ，２ｂ（２ｂｆ：第２の電極）、２ｒ）、 ３ 半導体素子、 ３ｆ 半導体素子の電極（面）、
４ リボン（帯状の配線部材）、 ４Ｅ１ 一端部、 ４Ｅ２ 他端部、 ４Ｊ１ ファーストボンド部、 ４Ｊ２ セカンドボンド部、 ４ＪＢ 平面部が転写された部分、 ４ＪＢＦ 平坦面が転写された部分、 ４Ｊｄ 突起が転写された部分、 ４Ｍ （やまなりの）中間部分、 ４ｎ ネック部、 ４ｎ１ ファーストボンドのネック部、 ４ｎ２ セカンドボンドのネック部、
５ はんだ、
７ ボンディングツール（接合具）、 ７Ａ 曲面部、 ７Ｌ 側面、 ７Ｌ１ ファーストボンド側側面 、 ７Ｌ２ セカンドボンド側側面、 ７Ｐ 押圧部、 ７Ｐ１ 平面部の一側、 ７Ｐ２ 平面部における一側と対向する側部、 ７ＰＢ 平面部、 ７ＰＢＦ 平坦面、 ７ＰＵ 突起、
８ リボンガイド、
１０ （電力用）半導体装置 、
ＬＪ 接合層、 ｔＢ 平面部が転写された部分の厚み、 ｔｏ 元のリボンの厚み、
ｔＵ 突起が転写された部分の厚み、
百位の数字は実施の形態による構成の相違を示す。

Claims (9)

  1. 半導体素子が装着された回路基板に並設された電極のうち、少なくとも２つの電極に帯状の配線部材を順次圧着して接合することにより、前記２つの電極間を配線するために使用される接合具であって、
    棒状をなし、
    長手方向の一端に形成され、前記帯状の配線部材を前記電極に押圧する押圧部は、
    前記長手方向に略垂直に形成された平面部と、
    前記平面部から前記長手方向の外側に突出するように、前記平面部内に分散して形成された複数の突起と、を備え、
    前記平面部の一側には、前記平面部と接線を共有して前記長手方向に向かって湾曲する曲面部が形成されていることを特徴とする接合具。
  2. 前記曲面部は、所定の曲率半径を有する円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の接合具。
  3. 前記所定の曲率半径が、前記帯状の配線部材の厚みの１／４以上になるように設定されることを特徴とする請求項２に記載の接合具。
  4. 前記平面部のうち、前記曲面部から所定長さの範囲が、前記突起が形成されていない平坦面となっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の接合具。
  5. 前記平面部における前記一側に対向する側部にも、前記平面部と接線を共有して前記長手方向に向かって湾曲する第２の曲面部が形成されている、
    ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の接合具。
  6. 半導体装置が装着された回路基板に並んだ電極のうちの２つの電極間を帯状の配線部材で配線する半導体装置の製造方法であって、
    請求項１ないし５のいずれかの接合具の直下に前記２つの電極のうちの先に接合する第１の電極がくるように前記接合具と前記第１の電極との位置を合わせる工程と、
    前記接合具と前記第１の電極との間に前記帯状の接合部材の一端部を挿入する工程と、
    前記接合具により、前記帯状の配線部材の一端部を前記第１の電極に圧着する工程と、
    前記接合具を前記第１の電極から引き離すとともに、前記帯状の配線部材の他端側を前記第１の電極から立ち上がらせる工程と、
    前記２つの電極のうちの後に接合する第２の電極と前記帯状の配線部材の他端側を接合する工程と、を備え、
    前記位置を合わせる工程では、前記平面部の側部のうち、前記曲面部が形成された側部を前記第２の電極に向けることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 回路面が形成された回路基板と、
    前記回路面に一方の面が接合された半導体素子と、
    前記回路面に形成された端子電極と、
    前記半導体素子の他方の面に形成された電極と、前記端子電極とに対して、請求項６に記載の半導体装置の製造方法を用いてやまなりに配線された帯状の配線部材と、
    を備えたことを特徴とする半導体装置。
  8. 前記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
  9. 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、またはダイヤモンド、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
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