JP4599929B2 - 電力用半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に適用するＩＧＢＴモジュールなどの電力用半導体装置を対象に、パワー半導体チップを搭載した回路基板の導体パターンとリードフレームとの接合を超音波接合にて行う電力用半導体装置の製造方法に関する。

近年になり、頭記の電力用半導体装置は小形化，高密度化が進み、これに合わせてパッケージ内の配線構造について、在来から使用されているワイヤボンディングに替えてリードフレームが多く採用されようになっている（例えば、特許文献１参照）。また、そのリードフレームの接合法についても、通常のロー付けに替えて超音波接合を採用した配線構造が知られている（例えば、特許文献２参照）。
図５（ａ），（ｂ）は内部配線の接続導体にリードフレームを採用した電力用半導体装置のモデル図であり、図において、１は放熱用金属ベース板、２は絶縁基板（セラミック板）２ａの表，裏両面に銅箔を直接接合して導体パターン２ｂ，２ｃを形成し、前記金属ベース板１に半田接合した回路基板（Direct Bonding Copper基板）、３は回路基板２の導体パターン２ａに半田マウントした電力用の半導体チップ（例えばＩＧＢＴ）、４が内部配線用のリードフレームである。ここで、リードフレーム４は帯状の銅板（タフピッチ銅，無酸素銅，リン青銅等）を図示のような逆Ｕ字形に曲げ加工した形状になり、その両端に形成した接合脚部４ａが回路基板２の導体パターン２ｂに超音波接合されている。

すなわち、図６（ａ）は回路基板２の導体パターン２ｂにリードフレーム４を超音波接合する前，図６（ｂ）は超音波接合の状態を表した図であり、リードフレーム４の接合脚部４ａの上に超音波ボンディングツール（超音波ホーン）８を重ね、この状態で接合面に加圧力を加えつつ、横方向に超音波振動を印加して接合面を摺動することにより、リードフレーム４と導体パターン２ｂの間の接合界面に塑性流動が生じて凝着するようになる。なお、図示してないが、回路基板はテーブル上の所定位置に固定治具で強固に固定し、ボンディングツールより超音波振動を加えた際に接合位置から動かないようにしている。
ところで、前記した回路基板２，リードフレーム４を接合ワークとして、超音波ボンディングツール８を使ってワーク間を超音波接合する場合に、超音波ボンディングツールに加える加圧力，振動エネルギーの設定条件によって次記のような接合欠陥が生じ易くなる問題がある。すなわち、図６（ａ）の超音波接合前の状態でリードフレーム４，導体パターン２ｂの表面をミクロ的に見ると、金属表面には埃，油分，水分からなる吸着層が付着しており、さらにその下の表面が大気の雰囲気中で生成した自然酸化皮膜５，６で覆われている。このために、ボンディングツール８に加える加圧力，超音波振動のエネルギーが低いと、酸化皮膜５，６が十分に破壊されず、導体パターン２ｂ，リードフレーム４の金属組成（銅の新性面）が未接触のまま、図６（ｂ）の符号７で表すように酸化皮膜同士が凝着して固相結合した状態になる。しかも、この酸化皮膜同士の結合部分は脆性が高く、図示の接合状態でヒートサイクルなどによってリードフレーム４の接合面に繰り返し応力が加わると、図７（ａ）で示すように酸化皮膜結合部７の層内に凝集破壊が生じてクラックｃが発生し、図７（ｂ）で表すようにリードフレーム４が導体パターン２ｂから剥離して回路が不導通となるトラブルを引き起すおそれがある。

これに対して、ボンディングツール８に加える加圧力，超音波振動エネルギーを高く設定して接合を行えば、塑性流動の発生に伴い前記の自然酸化皮膜５，６が分断破壊され、銅の下地（新性面）同士が凝着し合って高い接合強度を確保することができる。しかしながら、加圧力，超音波振動エネルギーを高めると、絶縁基板（セラミックス基板）２ａ自身にクラックが生じるおそれがあるほか、超音波振動が絶縁基板２ａを伝播して該基板上に半田マウントした半導体チップ３（図５参照）の接合半田層に伝播してこの半田層にもクラックを生じて前記と同様な導通性を低下させるおそれがある。
そこで、このような問題の対策として、リードフレーム４を超音波接合する際の前処理として、前記導体パターン２ｂ，リードフレーム４の接合面にプラズマエッチング処理あるいは酸を用いたウエットエッチング処理を施して自然酸化膜５，６を除去した上で、低加圧力，低超音波振動エネルギーの条件で超音波接合することを試みたが、このような前処理を施すことは半導体装置の製造工程が増してコスト高になる。

また、前記処理を施す代わりに、導体パターン２ｂにリードフレーム４を超音波接合する際に絶縁基板を高温状態に予熱して超音波振動を加えた際に導体パターン２ｂの銅箔が軟化して塑性流動を生じ易くするようにした超音波接合方法も試みられている（例えば、特許文献３参照）。この超音波接合方法によれば、超音波ボンディングツール８を介して接合面に加える加圧力，超音波振動エネルギーを低めに設定しても、予熱により銅箔が軟化して塑性流動，自然酸化膜の破壊が起こり易くなるので、強固な接合が可能となる。
特開２００２−４３５０８号公報 特開平１１−１９５７２５号公報 特開２００４−１４５９９号公報（第４頁，段落番号：００１３）

ところで、前記のように超音波接合の際に接合ワークを予熱して接合面を高温状態に加熱する場合に加熱を大気雰囲気中で行うと、それ以前の部品保管中に銅箔表面に生成している自然酸化膜の成長（膜厚が増す）が急速に進行するようになり、このままでは接合面の塑性流動性を高めて超音波接合による接合強度の強化を図るようにした成果が十分に発揮できなくなる。
かかる点、予熱に伴う銅箔の酸化膜成長を防ぐには、超音波ボンディングツールを含む接合装置全体を窒素ガスなどの不活性ガスで満たした大きな容器内に収容し、接合ワークの予熱開始から超音波接合終了までの全工程を大気雰囲気から隔離して行うことが考えられる。しかしながら、この方法を実施するには大掛かりな設備が必要となり、その設備にかかるコストが高くなる問題がある。

そこで、本発明の目的は、超音波ボンディングツールを収容して不活性ガスを満たす大掛かりな設備を必要とせずに、予熱に伴う接合面の酸化膜成長を巧みに防止し、低荷重，低超音波振動エネルギーの接合条件でも十分に高い接合強度が確保できるようにリードフレームの超音波接合法を改良した半導体装置の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、絶縁基板に導体パターンを形成して半導体チップをマウントした回路基板，および前記回路基板の導体パターンに接続するリードフレームを接合ワークとして、前記導体パターンにリードフレームの接合端面を重ね合わせ、その上に押し当てた超音波ボンディングツールを介してワーク間の接合面に加圧力と超音波振動を加えて直接金属接合する電力用半導体装置の製造方法において、
前記接合ワークの少なくとも一方を高温状態に予熱し、かつその接合面に向け不活性ガスを吹き付けて超音波接合を行うものとし、具体的には次記の態様で実施，実現することができる。
（１）前記の超音波接合法で、その工程を接合ワークの予熱工程と、該予熱工程に続く超音波接合工程とに分け、予熱工程では接合ワークを不活性ガス雰囲気中で加熱して後段の超音波接合工程に送り、超音波接合工程ではワークの接合面近傍に配したガス噴射ノズルより不活性ガスを接合面に吹き付けて超音波接合を行う（請求項１）。
（２）接合ワークのうち、回路基板に対する予熱温度を、リードフレームの接合以前に他の部材を回路基板の導体パターンに半田接合した半田の溶融温度以下に設定し、回路基板を予熱する際に、先に施した接合半田が再溶融するのを防ぐようにする（請求項２）。
（３）不活性ガスの吹き付け手段として、超音波ボンディングツールに付設してその外周に分散配置したガス噴射ノズルを通じてワークの接合面に不活性ガスを吹き付けるようにする（請求項３）。
（４）不活性ガスの吹き付け手段として、超音波ボンディングツール自身に穿孔してその外周域に分散形成したガス噴射通路を通じてワークの接合面に不活性ガスを吹き付けるようにする（請求項４）。

（５）超音波接合の際に接合ワークの接合面に向けて吹き付ける不活性ガスを高温状態に予熱しておき、不活性ガスの吹き付けによって予熱状態にある接合面の表面温度が低下するのを防ぐようにする（請求項５）。

半導体装置の製造に上記した超音波接合方法を用いることにより次記のような効果が得られる。すなわち、接合ワーク（導体パターンを形成した回路基板，リードフレーム）を高温に予熱することにより、続く超音波接合ではボンディングツールに加える加圧力，超音波振動エネルギーを多少低めに設定しても、超音波振動を受けた接合面が軟化して塑性流動が生じ易くなるので、これにより接合面の表面に生じている自然酸化皮膜を容易に破壊して導体パターン／リードフレーム間を強固に接合できる。
しかも、予熱された接合ワークを超音波ボンディングツールにセットして超音波接合を行う際に、外部から不活性ガスを接合面に吹き付けることにより接合面が周囲の大気雰囲気から隔離されるので、高温状態に加熱されるにもかかわらず、予熱開始以前の常温の保管状態で接合面に生じた自然酸化膜（常温状態での保管中に生じる自然酸化膜の膜厚はごく僅かである）の成長が予熱により急速に進んで膜厚が増大するのを防止できる。

これにより、超音波ボンディングツールに加える加圧力，超音波振動エネルギーを低めに設定して絶縁基板（セラミックス板），回路基板に半田マウントした半導体チップの半田接合層に超音波振動の伝播に起因するクラック発生を予防しつつ、接合ワークの予熱による効果を十分に生かしてリードフレームを強固に超音波接合することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図１に示した基本的な構成（参考例）を基に、図２〜図４に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図５〜図７に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

まず、図１に示した基本的な構成（参考例）を基に、回路基板の導体パターンとリードフレームとの超音波接合方法を説明する。図１では大気雰囲気中に備えた超音波接合設備に接合ワークとしての回路基板（図示には回路パターン２ｂを形成した絶縁基板２ａが描かれている）およびリードフレーム４を供給し、この位置で接合ワークの予熱，不活性ガスの吹き付けを行いつつ、超音波ボンディングツール（超音波ホーン）８により導体パターン２ａにリードフレーム４を超音波接合するようにしている。
ここで、回路基板（接合ワーク）を接合位置に載置セットするテーブル（図示せず），および超音波ボンディングツール８には予熱用のヒータ（電熱ヒータ）９を装備して稼働中は通電加熱の状態を保つようにしている。また、導体パターン２ａおよびリードフレーム４の接合面に向けて、ボンディングツール８の側方にはガス噴出ノズル１０を配置して不活性ガス源１１に配管接続し、その配管途中にはガス加熱器１２を設けてガス噴出ノズル１０に供給する不活性ガスを加熱するようにしている。

上記の構成で、図示の超音波接合位置に供給セットされた回路基板，およびリードフレームの接合ワークはヒータ９の加熱で高温状態（好ましくは導体パターン（銅箔）２ｂの再結晶温度以上の温度）に予熱される。但し、回路基板２に半導体チップ３（図５参照）が半田マウントされ、また回路基板２が図５のように金属ベース板１に半田接合されている組立状態であれば、これら接合半田層の再溶融を防ぐために接合ワークの予熱温度は半田の融点以下（例えば、共晶半田であれば１８３℃以下）に設定する。また、予熱を行っている間はガス噴出ノズル１０を通じて導体パターン２ａの接合面上に不活性ガスを吹き付けて周囲の大気雰囲気から隔離し、接合面の自然酸化膜が急速成長するのを防ぐようにしている。なお、ガス噴射ノズル１０から接合面に向けて吹き付ける不活性ガスは、接合部の表面を覆って周囲の大気雰囲気から隔離するバリアを形成するのに必要な流量，風速に設定しておくものとする。

そして、この予熱により接合ワークが所定温度まで加熱されると、図６で述べた方法と同様に超音波ボンディングツール８を接合位置に下降移動し、導体パターン２ａとリードフレーム４の接合端面の重ね合わせ面に加圧力，超音波振動を加えて直接金属接合する。なお、予熱後に導体パターン２ｂにリードフレーム４の接合端面を形ね合わせてボンディングツール８により接合面を加圧した状態になれば、不活性ガスの吹き付けは必要ないのでガス噴出ノズル１０への不活性ガス供給は停止してもよい。
この超音波接合方法により、予熱開始以前に接合ワークの接合面に生成している自然酸化膜の成長を防ぎつつ、予熱により接合面が軟化し易い高温状態となるので、続くボンディングツール８による接合工程では加圧力，超音波振動エネルギーを低めに設定しても、接合面には容易に塑性流動，酸化膜の破壊が生じてリードフレーム４と絶縁基板２ａの導体パターン２ｂとの間が強固に超音波接合されることになる。なお、図示例では絶縁基板２ａの導体パターン２ｂとリードフレーム４を予熱しているが、いずれか一方，例えば絶縁基板側のみを予熱して実施してもよい。
[実施例１]

次に、本発明の請求項１に対応する実施例を図２に示す。この実施例では、接合ワークの供給から超音波接合終了までの全工程を接合ワーク（回路基板２）の予熱工程と、該予熱工程に続くボンディングツールによる超音波接合工程とに分けて、接合ワークの超音波接合処理を連続的に行うようにしたものである。そして、予熱工程では搬送コンベア１３ａ，予熱用ヒータ１３ｂを装備して不活性ガス源１１に接続した予熱炉１３の中に回路基板２を通し、ここで回路基板２を不活性ガス雰囲気中でヒータ加熱により予熱した状態で予熱炉１３から後段の超音波接合工程に送る。また、超音波接合工程ではガス噴射ノズル８より不活性ガスを回路基板２の接合面に吹き付けて高温状態に予熱されている導体パターン２の表面を周囲の大気雰囲気から隔離して酸化膜の成長を防ぎつつ、ボンディングツール８によりリードフレーム４を超音波接合するようにしている。

この実施例によれば、図１に示した参考例と比べて、超音波接合のスループット性が高く、半導体装置を量産する場合の超音波接合設備として好適である。
[実施例２]

図３は本発明の請求項３に対応する不活性ガス吹き付け手段を備えた超音波ボンディングツールを示すものである。すなわち、図示のようにボンディングツール８の周域には複数箇所に分散してガス噴射ノズル１０を設け、先記の実施例で述べた超音波接合工程に合わせて、このノズルを通じて回路基板の導体パターン２ｂに不活性ガスを吹き付けるようにしている。このようにガス噴射ノズル１０をボンディングツール８に付設し、ボンディングツールの移動に合わせてガス噴射ノズルを進退させることで、接合ワークの供給，取り出しをガス噴射ノズルとの不要な干渉なしに行うことができる。
[実施例３]

また、図４は本発明の請求項４に対応する応用実施例であり、超音波ボンディングツール８にはリードフレーム４の接合脚部と重ならないように、その外周域に分散してガス噴射通路８ａを穿孔しておき、このガス噴射通路を通じて予熱状態にある接合ワークの接合面に向けて不活性ガスを吹き付けるようにしている。
なお、図３，図４の実施例では、ガス噴出ノズル１０，ガス噴出通路８ａの断面形状を円形としているが、これに限定されるものではなく、任意の断面形状で実施することができる。
[図面の簡単な説明]

本発明の基本的な参考例を表す図 本発明の実施例１に対応する超音波接合工程を表す図 本発明の実施例２に対応するガス噴射ノズル付き超音波ボンディングツールの構成図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ平面図，および側面図 本発明の実施例３に対応するガス噴射通路付きの超音波ボンディングツールの構成図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ平面図，および部分断面側視図 内部配線にリードフレームを採用した半導体装置の構成図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ側面図，および平面図 図５におけるリードフレームの接合に適用した従来の超音波接合法の説明図で、（ａ）は接合前，（ｂ）は超音波接合の状態を表す図 図６の超音波接合法による接合部に対して、その後のヒートサイクルにより生じた凝集破壊の説明図で、（ａ）は接合面のクラック発生，（ｂ）はリードフレームの剥離状態を表す図

符号の説明

２ 回路基板
２ａ 絶縁基板
２ｂ 導体パターン（銅箔）
３ 半導体チップ
４ リードフレーム
４ａ 接合脚部
５，６ 自然酸化膜
８ 超音波ボンディングツール
８ａ ガス噴射通路
９ 予熱用ヒータ
１０ ガス噴射ノズル
１１ 不活性ガス源
１２ ガス加熱器
１３ 予熱炉
１３ｂ 予熱用ヒータ

Claims (5)

1. 絶縁基板に導体パターンを形成して半導体チップをマウントした回路基板，および前記回路基板の導体パターンに接続するリードフレームを接合ワークとして、前記導体パターンにリードフレームの接合端面を重ね合わせ、その上に押し当てた超音波ボンディングツールを介してワーク間の接合面に加圧力と超音波振動を加えて直接金属接合する電力用半導体装置の製造方法において、
   接合ワークの予熱工程と、該予熱工程に続く超音波接合工程とからなり、
   予熱工程では接合ワークの少なくとも一方を不活性ガス雰囲気中で加熱して高温状態に予熱して後段の超音波接合工程に送り、超音波接合工程ではワークの接合面近傍に配したガス噴射ノズルより不活性ガスを接合面に吹き付けて超音波接合を行うことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法において、回路基板の予熱温度を、リードフレームの接合以前に他の部材を回路基板に半田接合した半田の溶融温度以下に設定したことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の製造方法において、超音波ボンディングツールに付設してその外周に分散配置したガス噴射ノズルを通じてワークの接合面に不活性ガスを吹き付けることを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
4. 請求項１または２のいずれかに記載の製造方法において、超音波ボンディングツール自身に穿孔してその外周域に分散形成したガス噴射通路を通じてワークの接合面に不活性ガスを吹き付けることを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の製造方法において、不活性ガスを予熱して接合ワークの接合面に吹き付けることを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
   

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