JP2013254832A - ボンディング材、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ピラミッド形、円錐形、多角錐形、またはこれらの台形の形状を有するリボン接合端子を備えたボンディング材、およびその形成金型を提供する。
【解決手段】 ボンディング材１、１１は、ＣｕまたはＡｌを含んで形成された金属リボン３０を用いて製作され、金属リボンの上面や下面、または両面に設けられたリボン接合端子領域２に、電気的接点を頂点とした縦断面三角形状を有する立体のリボン接合端子２ａ、１２ａを複数備え、ピラミッド形、円錐形、多角錐形、またはそれらの台形などで形成され、チップや基板間を金属間接合することができる。また、上面にリボン放熱端子、下面にリボン接合端子を備えたボンディング材をパワーデバイス４や放熱ベース３に載置して放熱端子３２として用いることによって、チップや基板またはボンディング材の表面積を大きくして放熱効果を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、リードリボン（金属リボン）に金属間接続用のピラミッド形、円錐形、多角錐形、またはこれらの台形の形状を有するリボン接合端子を備えたボンディング材や、放熱端子としてのボンディング材、および、これらのボンディング材を成形する形成金型の種類を少なくする技術、および形成金型を安価に製作する技術に関する。

従来、パワー半導体装置の電極端子と、電流の導出・導入をするリードリボンとの接合において、接合端子の接合に超音波ワイヤーボンディングや半田付けリボンボンディングが用いられている。
また、内部が空洞の接合端子を形成するためには、例えば、金属板材などの素材板を加圧して所望の立体形状を形成するしかなかった。図１０は、加圧後のアクセサリーをプレス成形した状態を示す図である。図１０に示すように、横断面形状が、多角形、その他任意形状の金属小柱材の上面に４角錐形、十字形、その他任意の凹凸形状、模様の型部１０１を形成した金型単体１００ａを設け、設定本数の金型単体１００ａを１集合体として相互に密接配置して金型１００Ａを設け、該金型１００Ａを固定設置し、該金型１００Ａ上面に貴金属薄板等のアクセサリーの素材板１０２を載せたのち、該素材板１０２上面に油圧等でゴムダイス１０３を下降加圧し、該下降加圧によるゴムダイス１０３の耐圧弱部方向への馴じみ圧着、素材板１０２の金型１００Ａ上面への馴じみ圧着成形により、素材板１０２を金型１００Ａ上面に配置した各型部１０１の形状にプレス成形し、該成形済み素材板１０２をアクセサリーとして用いるようにしたことが開示されている（特許文献１参照）。

特開平９−１５４６０８号公報

しかしながら、パワー半導体装置の電極端子と、電流の導出・導入をするリードリボンとの接合において、超音波ワイヤーボンディングでは大電流に対しての許容電流が不足すると共に、ボンディング時の加熱・加圧が必要なため高温環境と加圧に対する対策が必要となる。また、半田付けリボンボンディングでは熱に弱く、しかも放熱が容易ではないため、発熱または放熱に対しての何らかの対策が必要となるが、高温半田を使うと融点が高いが脆いといった欠点がある。さらに、半田での接続は機械的衝撃に弱いといった欠点がある。
そのため、パワー半導体装置の電極端子と、電流の導出・導入をするリードリボンとの接合に金属間接合が有効だと考えられるが、大電流に耐えることが可能となる端子形状を工夫し、複数の接点を備える接合端子の開発を行う必要があった。

本発明は、前記課題を解決するために創案されたものであり、リードリボンなどの金属リボンに金属間接続用のピラミッド形、円錐形、多角錐形、またはこれらの台形の形状を有するリボン接合端子を複数備えたボンディング材、およびその形成金型を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明のボンディング材は、金属リボンの上面、下面、および両面のいずれか一方に、縦断面三角形状および縦断面三角台形状のいずれか一方を有する立体のリボン接合端子を、前記金属リボンに一体成形で形成することを特徴とする。

請求項２に記載の発明のボンディング材は、金属リボンの上面に、縦断面三角形状および縦断面三角台形状のいずれか一方を有する立体のリボン放熱端子と、
、前記金属リボンの下面に、縦断面三角形状および縦断面三角台形状のいずれか一方を有する立体のリボン接合端子と、を前記金属リボンに一体成形で形成することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のボンディング材であって、前記立体は、前記金属リボンをプレス加工することによって形成されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のボンディング材であって、前記金属リボンの端部および中間部の少なくとも一方に、リボン接合端子領域を備え、
このリボン接合端子領域に、電気的接点を頂点とした前記リボン接合端子を少なくとも一つ備えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項２に記載のボンディング材であって、前記金属リボンの上面全体に形成されたリボン放熱端子領域と、前記金属リボンの下面全体に形成されたリボン接合端子領域と、を備えることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のボンディング材であって、前記立体の内部に空洞を有することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のボンディング材であって、前記立体は、ピラミッド形、円錐形、多角錐形、およびそれらの台形のいずれか一つで形成されることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のボンディング材であって、前記立体の頂点部分が面取りおよびＲ取りのいずれか一方で成形されていることを特徴とする。

請求項９に記載の発明のボンディング材は、請求項１または請求項２に記載のボンディング材であって、前記金属リボンは、銅、アルミニウム、およびそれらの合金のいずれか一つで形成されることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明のボンディング材の製造方法は、前記請求項１に記載のボンディング材に係る前記金属リボンの片面に前記縦断面三角形状を有する立体の前記リボン接合端子を、凸形のピラミッド金型と凹形の波形金型とを対面させて、前記凸形のピラミッド金型の裾野部に前記凹形の波形金型の波頭部を合わせて前記立体を形成することを特徴とする。

請求項１１に記載の発明のボンディング材の製造方法は、前記請求項１または前記請求項２に記載のボンディング材に係る前記金属リボンの両面に、同じ形状を備えた凸形のピラミッド金型同士を対面させて、前記凸形のピラミッド金型同士の互いの頂点部と裾野部を合わせて前記立体を形成することを特徴とする。

請求項１２に記載の発明のボンディング材の製造方法は、前記請求項１および請求項２のいずれかに記載のリボン接合端子と、大電流環境下に適用するパワー半導体装置の電極端子とを常温で接合するカップル研磨活性化常温接合構造を備えたリボン接合端子の金属間接合構造であって、
前記電極端子と前記リボン接合端子とを接合する一対の接合面同士が互いに押圧されて直進往復運動することで、同じ経路で繰り返し研磨されて、互いに清浄化・活性化して密着状態を維持して無界面の接合面を生成することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、金属リボンの上面、下面、および両面のいずれか一方に、縦断面三角形状および縦断面三角台形状のいずれか一方を有する立体のリボン接合端子を、金属リボンに一体成形で形成することによって、チップや基板のランドやパッドに片面接合または両面接合の形態を形成することができる。すなわち、片面接合では、リボン状のボンディング材のリボン接合端子をチップや基板の電極端子に接合することができ、さらにチップ間や実装基板間を跨って配線実装ができ、電気的信号の入力およびその信号の取り出しをすることができる。
また、両面接合では、リボン状のボンディング材のリボン接合端子をサンドイッチ状に挟み込んで、リボン接合端子領域の上下に位置するチップや基板の互いの対面を電気的に接合することができる。そして、互いに上下に位置するデバイスを繋いでデバイスの積層実装ができ、電気的信号の入力およびその信号の取り出しをすることができる。

請求項２に係る発明によれば、金属リボンの上面に、縦断面三角形状および縦断面三角台形状のいずれか一方を有する立体のリボン放熱端子と、金属リボンの下面に、縦断面三角形状および縦断面三角台形状のいずれか一方を有する立体のリボン接合端子と、を金属リボンに一体成形で形成することによって、リボン接合端子をチップや実装基板の表面に接合することで表面積が少なくとも４．５倍以上になるため放熱効果が大きい。例えば、ボンディング材の両面、およびチップと実装基板自体の表面が放熱エリアとして含まれるため、ボンディング材が片面で投影面積の２倍の表面積を有し、その両面で４倍の表面積を有している。また、チップや実装基板の表面が接合部エリアを除いて少なくとも０．５倍残り、約４.５倍の放熱エリアとなり、チップと実装基板の従来の表面積に比べ４．５倍の放熱効果が生まれる。

請求項３に係る発明によれば、ボンディング材に形成された立体は、プレス加工によって一体に形成された金属箔であり、接合に際して加工性が良い。

請求項４に係る発明によれば、ボンディング材の金属リボンの上下面およびその端部や中間部にリボン接合端子を備えることによって、チップ間や、チップ〜基板間のパッドを中継した電気的な接合をすることができる。

請求項５に係る発明によれば、金属リボンの上面全体に形成されたリボン放熱端子領域に、リボン接合端子と同じ形状のリボン放熱端子を備えたことによって、チップまたはボンディング材の表面積を大きくして放熱効果を向上させることができる。
また、金属リボンの下面全体に形成されたリボン接合端子領域に、電気的接点を頂点としたリボン接合端子を備えることによって、チップや基板のランドやパッドに金属間接合を形成することができる。この場合、熱伝導性があれば、必ずしも、電気的導通を有する接合でなくても構わない。

請求項６に係る発明によれば、ボンディング材は、立体の内部に空洞を有することによって、絞り加工を用いて形成することができるため、空洞形ピラミッドは、接合部をプレス金型を用いて片面ピラミッド構造および両面ピラミッド構造を同時に安価に製造することができ、製作工程を短縮できる。さらに、空洞であるため、バネ反発力が発生して、接合時の弾力を調節することができる。

請求項７に係る発明によれば、ボンディング材は、導電性接合用の金属リボンの片面または両面にピラミッド形、円錐形、多角錐形、またはそれらの台形の立体を備えたことによって、チップや基板のランドやパッドに片面接合または両面接合の形態を金属間接合などで形成することができる。

請求項８に係る発明によれば、頂点を面取り、または、５０μｍ程度の半径Ｒの曲面で形成することによって、表面の酸化物などを外側に容易に排出することができるため、接合面の活性化が促進され強固な接合ができる。

請求項９に係る発明によれば、金属リボンが、銅、アルミニウム、またはそれらの合金で形成されることによって、電気伝導性の良いボンディング材とすることができる。

請求項１０に係る発明によれば、片面構造の空洞形ピラミッド構造が形成され、凸形のピラミッド金型と凹形の波形金型を組み合わせて加工成形することによって、所望の形状を高精度に形成することが可能となる。

請求項１１に係る発明によれば、両面空洞形ピラミッド構造が形成され、同じ構造の凸形のピラミッド金型同士によって、両面同時に加工した金属箔に形成する両面構造を備えた金属箔が両面同時に形成され、金型のプレス工程を短縮することができ、高品質で安価なリボン接合端子やリボン放熱端子である立体を形成することができる。

請求項１２に係る発明によれば、同一経路を繰り返し研磨することによって、電極端子の研磨面が接合相手電極端子と密着状態を維持して研磨しており、接合面積が増え、応力集中を拡散した接合ができ、接合面からは破断しない強固な接合を得ることができる。このような、Ｃｏｕｐｌｅｓ−ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ（ＣＡＢ）によって、その金属本来の強度を実現することができ、高精度の安定した金属間接合部を生成させることができる。また、金属間接合部を有する放熱回路部を備えることによって効率的に放熱が行われる。

さらに、金属間接合のためには金属表面の活性化が不可欠であり、また、活性化のための研磨には所要の圧力が必要であり、また、大面積の平面同士の場合は全面に所要の圧力を掛けなければならないため大きな加圧が必要であるが、このピラミッド形や円錐形およびその台形による効果として、本願発明では先端が細くて下側に広がっているという構造によって、接触面が小さく、接触面が分散しているため、研磨には所要の圧力が得やすいことと、ピラミッド形のリボン接合端子が多数あるため接触面が分散して、全ピラミッド形のリボン接合端子に対して均等に研磨が進みやすい。さらに、本発明ではピラミッド構造のため、表面にある酸化物、異物(コンタミ)が周囲に排除される。このため、異物が中に閉じ込められて接合不良の原因となるボイドなどの不良や欠陥をなくすることができる。また、リボン接合端子の内部が空洞であるため、弾力性を持つことができ、接触性を上げ研磨に対して有効である。したがって、これを研磨して行くことにより活性化面が広くなる効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係るボンディング材の概略を示し、（ａ）はボンディング材が実装された様子を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の正面図、（ｃ）は片面ピラミッド構造の詳細を示す拡大断面図、（ｄ）は両面ピラミッド構造の詳細を示す拡大端面図、（ｅ）は接合面の金属間接合構造を示す説明図、（ｆ）は放熱端子として用いた実施例を示す拡大断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るボンディング材の概略を示し、（ａ）は接合面の金属間接合構造を示す説明図、（ｂ）は放熱端子として用いた実施例を示す拡大断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る片面ピラミッド構造のリボン接合端子の概略を示し、（ａ）はリボン接合端子の平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＥ―Ｅ線の断面図、（ｃ）は（ａ）に示すｅ―ｅ線の断面図、（ｄ）は（ａ）に示すＦ―Ｆ線の断面図、（ｅ）は（ａ）に示すｆ―ｆ線の断面図、（ｆ）はピラミッド構造の頂点形状およびその角度を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る片面ピラミッド構造の金型の概略を示し、（ａ）はリボン接合端子の平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＥ―Ｅ線における金型の断面図、（ｃ）は（ａ）に示すｅ―ｅ線における金型の断面図、（ｄ）は（ａ）に示すＦ―Ｆ線における金型の断面図、（ｅ）は（ａ）に示すｆ―ｆ線における金型の断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る片面ピラミッド構造の金型の概略を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る両面ピラミッド構造のリボン接合端子の概略を示し、（ａ）はリボン接合端子の平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＥ´―Ｅ´線の断面図、（ｃ）は（ａ）に示すｅ´―ｅ´線の断面図、（ｄ）は（ａ）に示すＦ´―Ｆ´線の断面図、（ｅ）は（ａ）に示すｆ´―ｆ´線の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る両面ピラミッド構造の金型の概略を示し、（ａ）はリボン接合端子の平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＥ´―Ｅ´線における金型の断面図、（ｃ）は（ａ）に示すｅ´―ｅ´線における金型の断面図、（ｄ）は（ａ）に示すＦ´―Ｆ´線における金型の断面図、（ｅ）は（ａ）に示すｆ´―ｆ´線における金型の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る両面ピラミッド構造の金型の概略を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るリボン接合端子の概略図を示し、（ａ）は片面ピラミッド構造を備えたボンディング材の斜視図、（ｂ）は両面ピラミッド構造を備えたボンディング材の斜視図である。 従来の実施形態に係るアクセサリーおよびその製造法の概略図であり、アクセサリーをプレス成形する加圧前の状態を示す断面図である。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るボンディング材の概略を示し、（ａ）はボンディング材が実装された様子を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の正面図、（ｃ）は（ｂ）に示すＡ部を拡大した片面ピラミッド構造の詳細を示す断面図、（ｄ）は（ｂ）に示すＢ部を拡大した両面ピラミッド構造の詳細を示す端面図である。
図２の（ａ）は、図１の（ｃ）に示すＣ部の拡大断面図であり、接合面の金属間接合構造を示す説明図、（ｂ）は放熱端子として用いた実施例を示す拡大断面図である。
図１の（ａ）（ｂ）に示すように、ボンディング材１は、ＣｕまたはＡｌを含んで形成された導電性接合用の金属リボン３０を用いて製作されている。金属リボン３０は薄い箔状に形成された帯状のものである。なお、短くカットして用いても構わない。そのボンディング材１の上面や下面、または両面に設けられたリボン接合端子領域２に、電気的接点を頂点とした縦断面三角形状を有する立体のリボン接合端子２ａ、１２ａを複数備えている。このリボン接合端子２ａはボンディング材１の上面または下面に設けられ、リボン接合端子１２ａはボンディング材１１の両面に設けられたものである。このリボン接合端子２ａ、１２ａは、ピラミッド形、円錐形、多角錐形、またはそれらの台形などで形成されている。また、リボン接合端子２ａ、１２ａは、ピラミッド形、円錐形、多角錐形、またはそれらの台形などで形成されているが、以下、ピラミッド構造からなるリボン接合端子を用いてその実施形態を説明する。

リボン接合端子領域２は、片面接合では、リボン状のボンディング材１のリボン接合端子２ａ、１２ａをチップ４や基板３の電極端子に接合することができ、さらにパワーデバイスなどのチップ間や実装基板間を跨って配線実装ができ、電気的信号の入力およびその信号の取り出しをすることができる。なお、放熱ベース３上にパワーデバイス４を載置した様子を記載しているが、基板３には、放熱ベースや実装基板である。また、チップ４には、パワーデバイスなどである。
また、両面接合では、リボン状のボンディング材１１のリボン接合端子領域２をサンドイッチ状に挟み込んで、パワーデバイス４や、放熱ベースや実装基板などの基板３の互いの対面を電気的に接合することができる。そして、互いに上下に積層された位置にあるデバイスを繋いでデバイスの積層実装ができ、電気的信号の入力およびその信号の取り出しをすることができる。
この電極端子とは、放熱ベース（実装基板）３の金属表面や、実装基板３のパッドやパワーデバイス４などデバイスの電極端子であり、金属間接合部を生成できるように形成されている。また、電気的な導通を必要としない場合には、例えば、熱伝導に用いる場合には、金属間接合を生成する必要はなく、樹脂など接着できるものであっても構わない。

図１の（ｃ）に示すように、ボンディング材１のリボンの端部や中間部に設けられたリボン接合端子領域２には、片面ピラミッド構造のリボン接合端子２ａが形成されている。このリボン接合端子２ａはパワーデバイス４の上面の電極端子にＣＡＢで接合され、電気的信号の入力およびその信号の取り出しを行なっている。このＣＡＢはＣｏｕｐｌｅｓ−ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇの略称であり、電極端子とリボン接合端子とを接合する一対の接合面同士が互いに押圧されて直進往復運動することで、同じ経路で繰り返し研磨されて、互いに清浄化・活性化して密着状態を維持して無界面の接合面を生成することができる。また、リボン接合端子２ａが接合されたパワーデバイス４は大電流の入出力を必要とするため、大電流を容易に流せる点からしてリボンは厚い方が良く、リボン接合端子２ａの複数の接点における接合面を流れる電流の合計が金属リボン３０の許容電流値より大きくなるように設定している。つまり、複数の端子接合面積の合計が金属リボン３０の断面積より大きい。図中の矢印を備えた破線が電流の流れる様子を示している。

図１の（ｄ）に示すように、ボンディング材１の端部に設けられたリボン接合端子領域２には、両面ピラミッド構造のリボン接合端子１２ａが形成されている。このリボン接合端子１２ａはリード部が無く、ボンディング材１そのものを示しているが、図１の（ｂ）に示すように、リード部２ｃが設けられていても構わない。また、金属リボンの厚さ方向に大電流が流れるため、金属リボンは薄くても構わない。また、前記した片面ピラミッド構造に示すように、接合はＣＡＢで行われる。

次に、図２の（ａ）を用いて、接合時の動作を説明する。
図２の（ａ）に示すように、（イ）はＣＡＢ前、（ロ）はＣＡＢ後の状態を示している。リボン接合端子２ａは、図１の（ｃ）に示すＣ部を拡大断面したものであるが、片面ピラミッド構造を有するリボン接合端子および両面ピラミッド構造を有するリボン接合端子とも接合動作は同様であり、Ｃｕ材２ａｃの表面が酸化膜２ａｂで被覆された金属リボン３０がピラミッド形の金型で押し込まれてリボン接合端子２ａ、１２ａが形成され、このリボン接合端子２ａ、１２ａには、縦断面三角形状を有する立体の内部に空洞部２ａａ、１２ａａが設けられている。なお、空洞部がなくても構わない。リボン接合端子２ａ、１２ａの頂点は電気的な接続を可能とするもので、例えば、電極端子２０とポリシングすることでリボン接合端子２ａ、１２ａの表面の酸化物が除去され、接合面が活性化されて、金属間接合面２ｅが形成され、電極端子２０との間で金属間接合構造が形成できる。

このように、ボンディング材１、１１の金属リボン３０の端部や中間部にリボン接合端子を備えたことによって、チップ間や、チップ〜基板間のパッドを中継した電気的な接合をすることができる。リボン接合端子が、銅、アルミニウム、またはそれらの合金で形成されることによって、電気伝導性の良いボンディング材とすることができる。また、リボン接合端子が１個から多数個のピラミッドで形成されることによって、接合面積が増えてパワー半導体装置に用いる大電流を効率良く流すことができる。

また、ボンディング材１、１１は、縦断面三角形状を有する立体のリボン接合端子２ａ、１２ａを導電性接合用の金属リボン３０の片面または両面に備えたことによって、チップ４や基板３のランドやパッドに片面接合または両面接合の形態を形成することができる。すなわち、片面接合では、リボン状のボンディング材のリボン接合端子２ａをチップ４や基板３の電極端子２０に接合することができ、さらにチップ間や実装基板間を跨って配線実装ができ、電気的信号の入力およびその信号の取り出しをすることができる。
また、両面接合では、リボン状のボンディング材１１のリボン接合端子１２ａをサンドイッチ状に挟み込んで、リボン接合端子領域２の上下に積層されたチップや基板の互いの対面を電気的に接合することができる。そして、互いに上下に位置するデバイスを繋いでデバイスの積層実装ができ、電気的信号の入力およびその信号の取り出しをすることができる。

図２の（ｂ）に示すように、両面ピラミッドを備えたリボン放熱端子（ヒートシンク）３２をパワー半導体４の上面に載置して放熱端子として用いている。
ボンディング材２１は、金属リボン３０の上面に、縦断面三角形状または縦断面三角台形状を有する立体のリボン放熱端子３２と、金属リボン３０の下面に、縦断面三角形状または縦断面三角台形状を有する立体のリボン接合端子１２ａとを金属リボン３０に一体成形で形成している。
これによれば、ボンディング材２１の金属リボン３０の両面にリボン接合端子と同じ形状のリボン放熱端子３２を備えたことによって、チップまたはボンディング材の表面積を大きくして放熱効果を向上させることができる。つまり、接合の為の下面ピラミッドと放熱目的の上面ピラミッドである。
このように、リボン接合端子をチップや実装基板の表面に接合することで表面積が少なくとも４．５倍以上になるため放熱効果が大きい。これは、ボンディング材の両面、およびチップと実装基板自体の表面が放熱エリアとして含まれるため、ボンディング材が片面で投影面積の２倍の表面積を有し、その両面で４倍の表面積を有している。また、チップや実装基板の表面が接合部エリアを除いて少なくとも０．５倍残り、約４.５倍の放熱エリアとなり、チップと実装基板の従来の表面積に比べ４．５倍の放熱効果が生まれる。
なお、片面ピラミッド構造のリボン接合端子としたが両面ピラミッド構造のリボン接合端子を用いても構わない。
この場合、熱伝導性があれば、必ずしも、電気的導通を有する接合でなくても構わない。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る片面ピラミッド構造のリボン接合端子の概略を示し、（ａ）はリボン接合端子の平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＥ―Ｅ線の断面図、（ｃ）は（ａ）に示すｅ―ｅ線の断面図、（ｄ）は（ａ）に示すＦ―Ｆ線の断面図、（ｅ）は（ａ）に示すｆ―ｆ線の断面図、（ｆ）はピラミッド構造の頂点形状およびその角度を示す断面図である。
図３の（ａ）に示すように、ボンディング材１の端部にリボン接合端子領域２が設けられ、このリボン接合端子領域２に片面ピラミッド構造のリボン接合端子２ａが形成されている。図では４個のピラミッド形のリボン接合端子２ａが形成されている。そこには４つの頂点Ｇ、Ｇ、Ｇ、Ｇが形成されている。図中、Ｅ―Ｅ線、ｅ―ｅ線、Ｆ―Ｆ線およびｆ―ｆ線における断面については、以下のように図２の（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）を用いて説明する。
図３の（ｂ）に示すように、図３の（ａ）に示すＥ―Ｅ線の断面図にはリボン接合端子２ａの頂点Ｇ、Ｇが示されている。また、図３の（ｄ）に示すように、図３の（ａ）に示すＦ―Ｆ線の断面図にもリボン接合端子２ａの頂点Ｇ、Ｇが示されている。この頂点Ｇが接合部である。これらの頂点Ｇは、図３の（ａ）に示す４つの頂点のうち３つの頂点の断面を示している。

また、図３の（ｃ）（ｅ）に示すように、図３の（ａ）に示す４つの頂点間が押し型で押されて、金属リボン３０が引き延ばされた形状となっている。なお、金型については後記する。
図３の（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示す枠状の２点鎖線は、後記する押し金型の刃先の機能部を模式的に示している。
次に、図３の（ｆ）に示すように、ボンディング材１の縦断面三角形状を有する立体のリボン接合端子の頂点部分が面取りおよびＲ取りのいずれか一方でカットされ、縦断面三角台形状を有する立体に形成されている。
このように、頂点を面取り、または、５０μｍ程度の半径Ｒの曲面で形成することによって、表面の酸化物などを外側に容易に排出できるため、接合面の活性化が促進され強固な接合ができる。
また、ピラミッド形、円錐形、多角錐形、またはそれらの台形などのリボン接合端子とすることで、そのバネ反発力によって、接合時の弾力を調節することができる。

次に、金型の動作を説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態に係る片面ピラミッド構造の金型の概略を示し、（ａ）はリボン接合端子の平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＥ―Ｅ線における金型の断面図、（ｃ）は（ａ）に示すｅ―ｅ線における金型の断面図、（ｄ）は（ａ）に示すＦ―Ｆ線における金型の断面図、（ｅ）は（ａ）に示すｆ―ｆ線における金型の断面図である。
図５は、本発明の第１の実施形態に係る片面ピラミッド構造の金型の概略を示す斜視図である。
図４の（ａ）に示すように、金属リボン３０の片面に、電気的接点を頂点とした縦断面三角形状を有する立体のリボン接合端子２ａを、凸形のピラミッド金型５ａと凹形の波形金型５ｂとを対面させた押し金型５によって形成する。
図４の（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すように、このようなプレス加工によって金属箔に形成されるリボン接合端子２ａは、片面ピラミッド形金型５の上型５ａと下型５ｂの間に挿入した金属リボン３０を互いに押圧することによって形成される。つまり、ピラミッド形を有するピラミッド金型である上型５ａと、波形を有する波形金型である下型５ｂで金属リボン３０を押圧することで、所望のピラミッド形を有するリボン接合端子２ａが形成される。図中２点鎖線は、説明のために記載したリボン接合端子２ａ（金属リボン３０）である。

このように、リボン接合端子は、一工程のプレス加工によってピラミッド構造を有する複雑な形状を備えた金属箔に形成されるのは画期的なことであり、電極端子２０などと容易に接合できる。
また、図５に示すように、４つのピラミッド形を有する上型５ａには、４つの頂点部５ａｃを備え、その各々にピラミッド形状部５ａａ、裾野部５ａｂが形成されている。また波形の下型５ｂには、波形状部５ｂａと波頭部５ｂｂが形成されており、上型５ａと下型５ｂが互いに押圧することで、４つの片面ピラミッド形状を有するリボン接合端子２ａが形成される。図５に示す金型は、４つの片面ピラミッド形状を有するリボン接合端子２ａを形成するためのものであって、これを一つのユニットとした場合、さらに多くのピラミッド形状を有するリボン接合端子２ａであったり、逆に少ないピラミッド形状を有するリボン接合端子２ａを形成するためには、適宜、金型構成のユニットを増減して行うことができる。

すなわち、図４および図５に示すように、上型をピラミッド構造金型とし下型を波形金型としたことで、片面に内部がピラミッド構造を備えたリボン接合端子を容易に形成することができる。この波形金型は、簡易に言えば、金型ブロックの上面を三角形の刃先のシャーリング装置によって、前後動または左右動することで、上型に縦断面が三角形の連続した波形を形成できる。これで波形金型は完成であるが、さらに、波形金型の波形と直角方向に縦断面が三角形となるようなシャーリングを行うことで、複数のピラミッド形状がマトリックス状に形成できる。これらを、図４の（ａ）に示すようなリボン接合端子に形成できるように、上型―下型を噛み合わせる。つまり、上型ピラミッドの裾野部に下型の波形状部の先端である波頭部が当接するようにする。これによって、複数個の頂点を備えたリボン接合端子が形成される。この頂点が金属間接合を行ない電気的な接合部となり、沢山の頂点を備えているため、大電流を流すのに好適である。波頭が当たらない直角方向のピラミッド構造の裾野は隣接するピラミッド形状の頂点を支点に引き伸ばされて、やや曲線状の凹部が形成される。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。
本発明の第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、第１の実施形態に係るボンディング材が、片面にピラミッド構造を有するリボン接合端子を備えているが、第２の実施形態に係るボンディング材は、両面にピラミッド構造を有するリボン接合端子を備えている点である。
図６は、本発明の第２の実施形態に係る両面ピラミッド構造のリボン接合端子の概略を示し、（ａ）はリボン接合端子の平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＥ´―Ｅ´線の断面図、（ｃ）は（ａ）に示すｅ´―ｅ´線の断面図、（ｄ）は（ａ）に示すＦ´―Ｆ´線の断面図、（ｅ）は（ａ）に示すｆ´―ｆ´線の断面図である。
図６の（ａ）に示すように、ボンディング材１１の端部にリボン接合端子領域２が設けられ、このリボン接合端子領域２に両面ピラミッド構造を備えたリボン接合端子１２ａが形成されている。図では一方の片面に４個、他の片面に９個のピラミッド形のリボン接合端子１２ａが形成されている。一方の片面は図中下方へ突起した４つの頂点Ｇ´、Ｇ´、Ｇ´、Ｇ´で、他の片面は図中上方へ突起した９つの頂点Ｈ、Ｈ…Ｈである。

図６の（ａ）に示す、Ｅ´―Ｅ´線、ｅ´―ｅ´線、Ｆ´―Ｆ´線およびｆ´―ｆ´線における断面について、以下のように図６の（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）を用いて説明する。
図６の（ｂ）に示すように、図６の（ａ）に示すＥ´―Ｅ´線の断面図にはリボン接合端子１２ａの頂点Ｇ´、Ｇ´が示されている。また、図６の（ｄ）に示すように、図６の（ａ）に示すＦ´―Ｆ´線の断面図にもリボン接合端子１２ａの頂点Ｇ´、Ｇ´が示されている。この頂点Ｇ´が接合部である。これらの頂点Ｇ´は、図６の（ａ）に示す４つの頂点のうち３つの頂点の断面を示している。
また、図６の（ｃ）に示すように、図６の（ａ）に示すｅ´―ｅ´線の断面図にはリボン接合端子１２ａの頂点Ｈ、Ｈ、Ｈが示されている。
また、図６の（ｅ）に示すように、図６の（ａ）に示すｆ´―ｆ´線の断面図にはリボン接合端子１２ａの頂点Ｈ、Ｈ、Ｈが示されている。
すなわち、前記した他方の片面ピラミッド構造のリボン接合端子１２ａには、頂点Ｈが９つ設けられ、両面で１３個の頂点を備えている。
前記した片面ピラミッド構造のリボン接合端子２ａと同様に、図６の（ａ）に示す両面ピラミッド構造のリボン接合端子１２ａは、１３個の頂点間が押し型で押されて、金属リボン３０が引き延ばされた形状となっている。なお、金型については後記する。
図６の（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示す枠状の２点鎖線は、後記する押し金型の刃先の機能部を模式的に示している。
また、リボン接合端子の頂点部分が面取りまたはＲ取りでカットされ、縦断面三角台形状を有する立体に形成されている点や、リボン接合端子１２ａを構成する立体が、ピラミッド形、円錐形、多角錐形、またはそれらの台形などで形成されている点は、第１の実施形態と同様である。

次に、金型の動作を説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態に係る両面ピラミッド構造の金型の概略を示し、（ａ）はリボン接合端子の平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＥ´―Ｅ´線における金型の断面図、（ｃ）は（ａ）に示すｅ´―ｅ´線における金型の断面図、（ｄ）は（ａ）に示すＦ´―Ｆ´線における金型の断面図、（ｅ）は（ａ）に示すｆ´―ｆ´線における金型の断面図である。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る両面ピラミッド構造の金型の概略を示す斜視図である。
図７の（ａ）に示すように、金属リボン３０の片面に、電気的接点を頂点とした縦断面三角形状を有する立体のリボン接合端子１２ａを、凸形のピラミッド金型６ａと凸形のピラミッド金型６ｂとを対面させた押し金型６によって形成する。
図７の（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すように、このようなプレス加工によって金属箔に形成されるリボン接合端子１２ａは、両面ピラミッド形金型６の上型６ａと下型６ｂの間に挿入した金属リボン３０を一工程のプレス加工によって互いに押圧することによって形成される。つまり、ピラミッド形を有するピラミッド金型である上型６ａと、同じ形状のピラミッド金型である下型６ｂで金属リボン３０を押圧することで、所望のピラミッド形を有するリボン接合端子１２ａが金属リボン３０の両面に形成される。図中２点鎖線は、説明のために記載したリボン接合端子１２ａ（金属リボン３０）である。
このように、リボン接合端子は、一工程のプレス加工によってピラミッド構造を有する金属箔に形成され、電極端子２０などと容易に接合することができる。

また、図８に示すように、４つのピラミッド形を有する上型６ａには、４つの頂点部６ａｃを備え、その各々にピラミッド形状部６ａａ、裾野部６ａｂが形成されている。また１つのピラミッド形と８つの部分ピラミッド形（端面がカットされた状態）を有する下型６ｂには、９つの頂点部６ｂｃを備え、その各々にピラミッド形状部６ｂａ、裾野部６ｂｂが形成されている。
そして、金属リボン３０の両面に、電気的接点を頂点とした縦断面三角形状を有する立体のリボン接合端子１２ａを、同じ構造の凸形のピラミッド金型６ａ、６ｂ同士を対面させた押し金型６によって、両面同時に加工した金属箔に形成することができる。つまり、上型６ａと下型６ｂを互いに押圧して、同じピラミッド形の金型を頂点をずらして噛み合わせ、それぞれの頂点部６ａｃ、６ｂｃが、ピラミッド形の裾野部６ａｂ、６ｂｂの角に当たるように上型６ａと下型６ｂを配置することによって、両面合計で１３個の頂点を備えたピラミッド形状を有するリボン接合端子１２ａが形成される。また、上型・下型を同じ形状のピラミッド構造金型にすることで製造コストは低減される。
なお、図８に示す金型６は、両面合計１３個の頂点を備えたピラミッド形状を有するリボン接合端子１２ａを形成するためのものであって、これを一つのユニットとした場合、さらに多くのピラミッド形状を有するリボン接合端子１２ａであったり、逆に少ないピラミッド形状を有するリボン接合端子１２ａを形成するためには、適宜、この金型構成のユニットを増減して行うことができる。

このように、両面空洞形ピラミッド構造が形成され、同じ構造の凸形のピラミッド金型同士によって、両面ピラミッド構造のリボン接合端子を備えた金属箔が両面同時に形成され、金型のプレス工程を短縮することができ、製作工程を短縮できる。
また、ボンディング材は、縦断面三角形状を有する立体の内部に空洞を有するリボン接合端子を導電性接合用の金属リボンの両面に備えることができる。このような縦断面三角形状を有する立体の内部に空洞を持たせる場合に、両面空洞形ピラミッドはその空洞構造によって、接合部を両面同時にプレス金型を用いて安価に製造することができる。

すなわち、図７および図８に示すように、上型および下型をピラミッド構造金型としたことで、金属リボン３０の両面にピラミッド構造を備えたリボン接合端子を容易に形成することができる。このピラミッド金型は、簡易に言えば、金型ブロックの上面を三角形の刃先のシャーリング装置によって、前後動または左右動し、さらに、直角方向に縦断面が三角形となるようなシャーリングを行うことで、複数のピラミッド形状がマトリックス状に形成できる。これらを、図７の（ａ）に示すようなリボン接合端子に形成できるように、上型―下型を噛み合わせる。つまり、上型ピラミッド金型の裾野部に下型ピラミッド金型の先端である頂点部が当接するようにする。これによって、複数個の頂点を備えたピラミッド形のリボン接合端子が形成される。この頂点が金属間接合を行ない電気的な接合部となり、沢山の頂点を備えているため大電流を流すのに好適である。上下型の頂点が当たらないエリアは隣接するピラミッド形状の頂点を支点に引き伸ばされて、やや曲線状の凹部が形成される。

以上、リボン接合端子２ａ、１２ａと、大電流環境下に適用するパワー半導体装置の電極端子２０とを常温で接合するカップル研磨活性化常温接合方法が用いられ、電極端子とリボン接合端子とを接合する一対の接合面同士が互いに押圧されて直進往復運動することで、同じ経路で繰り返し研磨されて、互いに清浄化・活性化して密着状態を維持して無界面の接合面を生成することができる。
これによれば、同一経路を繰り返し研磨することによって、電極端子の研磨面が接合相手電極端子と密着状態を維持して研磨しており、接合面積が増え、応力集中を拡散した接合ができ、接合面からは破断しない強固な接合を得ることができる。このような、Ｃｏｕｐｌｅｓ−ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ（ＣＡＢ）によって、その金属本来の強度を実現することができ、高精度の安定した金属間接合部を生成させることができる。また、金属間接合部を有する放熱回路部を備えることによって効率的に放熱が行われる。

このような、ピラミッドや円錐形およびその台形による効果として、ピラミッドは先端が細くて、下側に広がっており、金属間接合のためには金属表面の活性化が不可欠である。また、活性化のための研磨には所要の圧力が必要であり、また、大面積の平面同士の場合は全面に所要の圧力を掛けなければならないため大きな加圧が必要であるが、このピラミッド形や円錐形およびその台形による効果として、本願発明では先端が細くて下側に広がっているという構造によって、接触面が小さく、接触面が分散しているため、研磨には所要の圧力が得やすいことと、ピラミッド形のリボン接合端子が多数あるため接触面が分散して、全ピラミッド形のリボン接合端子に対して均等に研磨が進みやすい。さらに、本願発明ではピラミッド構造のため、表面にある酸化物、異物(コンタミ)が周囲に排除される。このため、異物が中に閉じ込められて接合不良の原因となるボイドなどの不良や欠陥をなくすることができる。また、リボン接合端子の内部が空洞であるため、弾力性を持つことができ、接触性を上げ研磨に対して有効である。したがって、これを研磨して行くことにより活性化面が広くなる効果が得られる。

最後に、本願発明の実施形態に係るボンディング材の実施例を斜視図に示す。
図９は、本願発明の実施形態に係るリボン接合端子の概略図を示し、（ａ）は片面ピラミッド構造を備えたボンディング材の斜視図、（ｂ）は両面ピラミッド構造を備えたボンディング材の斜視図である。
図９の（ａ）（ｂ）に示すのは、片面ピラミッド形のリボン接合端子や、両面ピラミッド形のリボン接合端子の一例である。

以上、好ましい実施の形態を説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することの無い範囲内において適宜変更が可能なものである。例えば、ボンディング材は、チップや基板のランドやパッドに片面接合または両面接合の形態を形成することができ、電気的に接合することができるとしたが、電気的な導通を必要としない場合には、例えば、熱伝達に用いる場合には、金属間接合を生成する必要はなく、樹脂など接着できるものであっても構わない。また、縦断面三角形状を有する立体のリボン接合端子の頂点部分の断面三角形状のＲ取りは５０μｍ程度の半径Ｒの曲面で形成するとしたが、５０μｍに限るものではなく、断面形状が台形となる範囲であれば構わない。面取りも同様で構わない。これらは、頂点部が鈍っている場合も含む。

本発明は、リードリボンなどの金属リボンに金属間接合用のピラミッド形、円錐形、多角錐形、またはこれらの台形の形状を有するリボン接合端子を備えたボンディング材、およびその形成金型で、これを用いた半導体デバイスの積層と信号入出力を行う半導体デバイスの実装技術に適用される。

１、１１、２１ ボンディング材
２ リボン接合端子領域
２ａ 片面ピラミッド構造のリボン接合端子
２ａａ、１２ａａ 空洞部
２ａｂ、１２ａｂ 酸化膜
２ａｃ Ｃｕ材
２ｃ リード部
２ｅ 金属間接合面
３ 基板、放熱ベース、実装基板
４ チップ、パワーデバイス、パワー半導体
５ 片面ピラミッド形金型
５ａ 上型、ピラミッド形金型
５ａａ ピラミッド形状部
５ａｂ 裾野部
５ｂ 下型、波形金型
５ｂａ 波形状部
５ｂｂ 波頭部
６ 両面ピラミッド形金型
６ａ 上型、ピラミッド形金型
６ｂ 下型、ピラミッド形金型
７ インターポーザ、実装基板
８ ピラー端子
１２ａ 両面ピラミッド構造のリボン接合端子
３０ 金属リボン
３１ 電極端子
３２ リボン放熱端子

Claims (12)

1. 金属リボンの上面、下面、および両面のいずれか一方に、縦断面三角形状および縦断面三角台形状のいずれか一方を有する立体のリボン接合端子を、前記金属リボンに一体成形で形成することを特徴とするボンディング材。
2. 金属リボンの上面に、縦断面三角形状および縦断面三角台形状のいずれか一方を有する立体のリボン放熱端子と、
   、前記金属リボンの下面に、縦断面三角形状および縦断面三角台形状のいずれか一方を有する立体のリボン接合端子と、を前記金属リボンに一体成形で形成することを特徴とするボンディング材。
3. 前記立体は、前記金属リボンをプレス加工することによって形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボンディング材。
4. 前記金属リボンの端部および中間部の少なくとも一方に、リボン接合端子領域を備え、
   このリボン接合端子領域に、電気的接点を頂点とした前記リボン接合端子を少なくとも一つ備えることを特徴とする請求項１に記載のボンディング材。
5. 前記金属リボンの上面全体に形成されたリボン放熱端子領域と、
   前記金属リボンの下面全体に形成されたリボン接合端子領域と、
   を備えることを特徴とする請求項２に記載のボンディング材。
6. 前記立体の内部に空洞を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボンディング材。
7. 前記立体は、ピラミッド形、円錐形、多角錐形、およびそれらの台形のいずれか一つで形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボンディング材。
8. 前記立体の頂点部分が面取りおよびＲ取りのいずれか一方で成形されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボンディング材。
9. 前記金属リボンは、銅、アルミニウム、およびそれらの合金のいずれか一つで形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボンディング材。
10. 前記請求項１に記載のボンディング材に係る前記金属リボンの片面に前記縦断面三角形状を有する立体の前記リボン接合端子を、凸形のピラミッド金型と凹形の波形金型とを対面させて、前記凸形のピラミッド金型の裾野部に前記凹形の波形金型の波頭部を合わせて前記立体を形成することを特徴とするボンディング材の製造方法。
11. 前記請求項１または前記請求項２に記載のボンディング材に係る前記金属リボンの両面に、同じ形状を備えた凸形のピラミッド金型同士を対面させて、前記凸形のピラミッド金型同士の互いの頂点部と裾野部を合わせて前記立体を形成することを特徴とするボンディング材の製造方法。
12. 請求項１および請求項２のいずれかに記載のリボン接合端子と、大電流環境下に適用するパワー半導体装置の電極端子とを常温で接合するカップル研磨活性化常温接合構造を備えたリボン接合端子の金属間接合構造であって、
    前記電極端子と前記リボン接合端子とを接合する一対の接合面同士が互いに押圧されて直進往復運動することで、同じ経路で繰り返し研磨されて、互いに清浄化・活性化して密着状態を維持して無界面の接合面を生成することを特徴とするリボン接合端子の金属間接合構造。

Images