JP6707052B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁基板に形成された導体パターンに電極端子を超音波接合し電力用半導体装置を製造する技術に関するものである。

電力用半導体素子を用いたパワーモジュールに代表される電力用半導体装置では、高温動作に対応するために絶縁基板に形成された導体パターンと電極端子とを接合する際、はんだ接合に代えて超音波接合が用いられることがある。ここで、超音波接合とは、超音波接合ツールを接合物に押し付けながら水平方向に超音波振動させることで、接合物同士を金属接合させることをいう。

例えば特許文献１には、超音波接合を行うための装置として、接合時に接合材と被接合材を押圧する加圧面と、加圧面に形成された複数の突起とを備えた超音波接合ツールを備えた超音波振動接合装置が開示されている。

特開２０１３−２２６５８０号公報

しかしながら、超音波接合を行う場合、超音波接合ツールの先端部における中央部と端部とでは、端部の方が中央部よりも超音波振動が弱くなるため、超音波接合ツールによる振動方向は厳密には水平方向ではない。そのため、電極端子の接合部における振動方向の端部、すなわち、電極端子の接合部における端部が接合されにくいという問題があった。

特許文献１に記載の超音波振動接合装置では、超音波接合ツールの加圧面の中央部における突起の先端は、加圧面の端部における突起の先端よりも下方に位置しており、複数の突起の先端を結ぶ面は凸形状である。そのため、超音波接合ツールによる振動方向の端部に超音波振動が伝わりにくい。さらに、電極端子の接合部における端部が上方に反っており接合部の端部の下面が回路パターンに接していないため、電極端子の接合部における端部が接合されにくい。そのため、特許文献１に記載の超音波振動接合装置では、上記の問題を解決することができなかった。

そこで、本発明は、半導体装置において、超音波接合時に十分な接合面積を確保することが可能な技術を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、絶縁基板に形成された導体パターンに電極端子を、超音波接合ツールで荷重を加えながら超音波接合し半導体装置を製造する製造方法であって、前記超音波接合ツールは、前記電極端子に対面する先端部の加圧面に設けられた複数の突起を備え、前記加圧面の面方向の端部における前記突起の先端は、前記加圧面の面方向の中央部における前記突起の先端よりも前記電極端子側に位置し、複数の前記突起の先端を結ぶ面は、１つの方向のみに沿って延在する湾曲形状である。

本発明によれば、電極端子の接合部における対面の面方向の端部の厚みは中央部の厚みよりも厚いため、導体パターンに電極端子を超音波接合する際に、超音波接合ツールによる振動方向の端部にも超音波振動が伝わりやすくなり接合性が向上する。これにより、超音波接合時に十分な接合面積を確保することができる。

実施の形態１に係る半導体装置における電極端子の接合部およびその周辺部の断面模式図である。 超音波接合ツールによる理想の振動方向を示す図である。 超音波接合ツールによる実際の振動方向を示す図である。 実施の形態１の変形例１に係る半導体装置における電極端子の接合部およびその周辺部の断面模式図である。 実施の形態１の変形例２に係る半導体装置における電極端子の接合部およびその周辺部の断面模式図である。 実施の形態１の変形例２に係る半導体装置における電極端子の接合部およびその周辺部の斜視図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を説明するための説明図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法で用いられる超音波接合ツールおよびその周辺部の側面模式図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法で用いられる超音波接合ツールを下方から視た模式図である。 実施の形態２の変形例１に係る半導体装置の製造方法で用いられる超音波接合ツールおよびその周辺部の側面模式図である。 実施の形態２の変形例１に係る半導体装置の製造方法で用いられる超音波接合ツールを下方から視た模式図である。 実施の形態２の変形例２に係る半導体装置の製造方法で用いられる超音波接合ツールおよびその周辺部の側面模式図である。 実施の形態２の変形例２に係る半導体装置の製造方法で用いられる超音波接合ツールを下方から視た模式図である。

＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置における電極端子２の接合部２ａおよびその周辺部の断面模式図である。図２は、超音波接合ツール４による理想の振動方向を示す図である。図３は、超音波接合ツール４による実際の振動方向を示す図である。なお、図中の矢印は、超音波接合ツール４による振動方向を示している。

図１に示すように、半導体装置は、絶縁基板１、半導体素子（図示省略）、および電極端子２を備えている。絶縁基板１はセラミックなどで構成され、絶縁基板１の上面に導電性の導体パターン１ａが複数設けられている。絶縁基板１の導体パターン１ａの上面に、電極端子２が超音波接合により接合されている。なお、絶縁基板１は、セラミックに限定されることなく、例えば樹脂により絶縁された基板であってもよい。

絶縁基板１の導体パターン１ａの上面には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）およびＦＷＤＩ（Free Wheeling Diode）などの半導体素子がはんだ付けされており、導体パターン１ａと導体パターン１ａとの間はアルミワイヤで接続されている。また、絶縁基板１、半導体素子および電極端子２はケース（図示省略）、およびゲルなどの封止材（図示省略）で保護されている。

なお、ＩＧＢＴに代えて、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が配置されてもよい。また、ＦＷＤＩに代えて、ＳＢＤ（Schottky diode）が配置されてもよい。

また、ダイボンド材ははんだに限定されず、焼結性のＡｇまたはＣｕ粒子を含む接合材であってもよく、焼結性の接合材を用いることではんだ接合の場合よりも、導体パターン１ａと半導体素子との接合箇所の寿命を向上させることが可能となる。

電極端子２は、電極端子２の一端部に設けられる接合部２ａを備えている。接合部２ａは、電極端子２における導体パターン１ａの上面に対面して接合される部分であり、電極端子２の一端部が絶縁基板１の上面に対して平行に折り曲げられた部分である。接合部２ａの下面は平面状であり、全面に渡って導体パターン１ａに接触している。

次に、接合部２ａの上面の形状について説明する。接合部２ａにおける対面の面方向の端部の厚みは中央部の厚みよりも厚い。より具体的には、接合部２ａの上面には湾曲部２ｂが設けられている。湾曲部２ｂは、接合部２ａの幅方向に渡って接合部２ａの長手方向の中央部から端部へ行く程高さ位置が高くなる湾曲形状である。なお、接合部２ａの上面とは、接合部２ａの導体パターン１ａとの接合面の反対面である。また、接合部２ａの長手方向とは、図１の紙面に対して左右方向であり、接合部２ａの幅方向とは、図１の紙面に対して奥行き方向である。

電極端子２の接合部２ａの上面に湾曲部２ｂを設けた理由について説明する。図２に示すように、超音波接合ツール４は、電極端子２に対面する先端部の加圧面４ａと、加圧面４ａに設けられた複数の突起４ｂとを備えている。なお、実施の形態１では、複数の突起４ｂの先端を結ぶ面が平面である超音波接合ツール４を使用することを想定している。

図２に示すように、超音波接合ツール４による振動方向は水平方向であることが理想であるが、実際には、超音波接合ツール４の先端部における中央部と端部とでは、端部の方が中央部よりも超音波振動が弱くなるため、超音波接合ツール４による実際の振動方向は図３に示す方向となる。接合部２ａにおける対面の面方向の端部の厚みを中央部の厚みよりも厚くすることで、超音波接合ツールによる振動方向の端部にも超音波振動が伝わりやすくなる。なお、接合部２ａの湾曲部２ｂの半径は、超音波振動の大きさに応じて選定することが望ましい。

以上のように、実施の形態１に係る半導体装置では、電極端子２の接合部２ａにおける対面の面方向の端部の厚みは中央部の厚みよりも厚い。より具体的には、接合部２ａの導体パターン１ａとの接合面の反対面である上面は、湾曲形状である。したがって、導体パターン１ａに電極端子２を超音波接合する際に、超音波接合ツール４による振動方向の端部にも超音波振動が伝わりやすくなり接合性が向上する。これにより、超音波接合時に十分な接合面積を確保することができる。よって、半導体装置の歩留りの向上を図ることができる。

また、接合性が向上することで接合時間を短縮することが可能となる。接合時間を短縮できることで、超音波接合ツール４における電極端子２と接触する先端部の磨耗および劣化も抑制でき、かつ、導体パターン１ａおよび絶縁基板１へのダメージも抑制できる。これにより、絶縁基板１におけるセラミック割れによる絶縁不良の防止も可能となり、半導体装置の耐久性の向上を図ることができる。

さらに、電極端子２の超音波接合は高温動作環境化において有効な技術であり、ＳｉＣ（Silicon Carbide）材を用いて半導体素子を構成し、電極端子２の面積の縮小化を図ることでパッケージの小型化も可能となる。

次に、実施の形態１の変形例について説明する。図４は、実施の形態１の変形例１に係る半導体装置における電極端子１２の接合部１２ａおよびその周辺部の断面模式図である。図５は、実施の形態１の変形例２に係る半導体装置における電極端子２２の接合部２２ａおよびその周辺部の断面模式図である。図６は、実施の形態１の変形例２に係る半導体装置における電極端子２２の接合部２２ａおよびその周辺部の斜視図である。

図４に示すように、電極端子２２の接合部２２ａの上面に、接合部２２ａの幅方向に渡って接合部２２ａの長手方向の中央部が凹む凹形状に形成された凹部２２ｂが設けられていてもよい。この場合にも、実施の形態１の場合と同様の効果が得られる。

また、図５と図６に示すように、電極端子３２の接合部３２ａの上面に、すり鉢形状部３２ｂが設けられていてもよい。すり鉢形状部３２ｂは、接合部３２ａにおける対面の面方向の中央部から端部へ行く程高さ位置が高くなる湾曲形状である。すなわち、電極端子３２の接合部３２ａにおける対面の面方向の端部の厚みは中央部の厚みよりも厚い。

超音波接合ツール４による振動方向に沿って超音波接合ツール４を稼働させるが、この稼働域上にケースなどの障壁がある場合、超音波接合ツール４が障壁に干渉する。超音波接合ツール４による振動方向は一方向であるため、図１に示した電極端子２の接合部２ａの湾曲部２ｂのように、接合部２ａの長手方向の端部、すなわち一方向の端部の厚みを増した場合、超音波接合ツール４の稼働域と障壁との関係で超音波接合ツール４を９０°回転させての振動しか行えないときは、超音波接合ツール４による振動方向の端部にも超音波振動が伝わりやすくなり接合性が向上するという効果は得られない。

しかし、図５と図６に示すように、電極端子２２の接合部２２ａの上面にすり鉢形状部２２ｂを設けたことで、対面の面方向における全方向の端部の厚みを増しているため、振動方向に関係なく実施の形態１の場合と同様の効果が得られる。

また、超音波接合ツール４の稼働域と障壁との関係で超音波接合ツール４と障壁との間に所定の距離をあける必要があるため、半導体装置のパッケージ設計に制限があった。しかし、図５と図６に示すように、電極端子２２の接合部２２ａの上面にすり鉢形状部２２ｂを設けることで、振動方向に関係なく実施の形態１の場合と同様の効果が得られるため、半導体装置のパッケージ設計の自由度が向上する。

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法について説明する。図７は、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を説明するための説明図である。図８は、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法で用いられる超音波接合ツール４の側面模式図である。図９は、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法で用いられる超音波接合ツール４を下方から視た模式図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図７に示すように、超音波接合装置は、電極端子４２を超音波接合ツール４４で荷重を加えながら超音波振動させることで、電極端子４２を絶縁基板１の導体パターン１ａに超音波接合する。なお、図７では、超音波接合ツール４４の先端部の形状と、電極端子４２の接合部４２ａの上面の形状は簡略化している。

図８と図９に示すように、超音波接合ツール４４は、電極端子４２に対面する先端部の加圧面４４ａに設けられた複数の突起４４ｂを備えている。加圧面４４ａの面方向の端部における突起４４ｂの先端は、加圧面４４ａの面方向の中央部における突起４４ｂの先端よりも電極端子４２側に位置している。より具体的には、複数の突起４４ｂの先端を結ぶ面は、電極端子４２の接合部４２ａの幅方向に渡って接合部４２ａの長手方向の端部に対面する部分から中央部に対面する部分へ行く程高さ位置が高くなる湾曲形状である。このように、超音波接合ツール４４の先端部における接合部４２ａの対面の面方向の端部に対面する部分の厚みを厚くすることで、超音波接合ツール４４による振動方向の端部にも超音波振動が伝わりやすくなる。

また、電極端子４２の接合部４２ａの上面の形状は、複数の突起４４ｂの先端を結ぶ面の形状に合わせて、電極端子４２の接合部４２ａの幅方向に渡って接合部４２ａの長手方向の端部から中央部へ行く程高さ位置が高くなる湾曲形状である。

以上のように、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法では、超音波接合ツール４４は、電極端子４２に対面する先端部の加圧面４４ａに設けられた複数の突起４４ｂを備え、加圧面４４ａの面方向の端部における突起４４ｂの先端は、加圧面４４ａの面方向の中央部における突起４４ｂの先端よりも電極端子４２側に位置する。より具体的には、複数の突起４４ｂの先端を結ぶ面は、湾曲形状である。したがって、実施の形態１の場合と同様の効果が得られる。

次に、実施の形態２の変形例について説明する。図１０は、実施の形態２の変形例１に係る半導体装置の製造方法で用いられる超音波接合ツール５４の側面模式図である。図１１は、実施の形態２の変形例１に係る半導体装置の製造方法で用いられる超音波接合ツール５４を下方から視た模式図である。図１２は、実施の形態２の変形例２に係る半導体装置の製造方法で用いられる超音波接合ツール６４の側面模式図である。図１３は、実施の形態２の変形例２に係る半導体装置の製造方法で用いられる超音波接合ツール６４を下方から視た模式図である。

図１０と図１１に示すように、複数の突起５４ｂの先端を結ぶ面は、電極端子５２の接合部５２ａの幅方向に渡って接合部５２ａの長手方向の中央部に対面する部分が凹む凹形状であってもよい。この場合、電極端子５２の接合部５２ａの上面の形状は、複数の突起５４ｂの先端を結ぶ面の形状に合わせて、接合部５２ａの幅方向に渡って接合部５２ａの長手方向の中央部が突出する形状とする。これにより、実施の形態２の場合と同様の効果が得られる。

また、図１２と図１３に示すように、複数の突起６４ｂの先端を結ぶ面は、接合部６２ａにおける対面の面方向の端部に対面する部分から中央部に対面する部分へ行く程高さ位置が高くなるすり鉢形状であってもよい。この場合、電極端子６２の接合部６２ａの上面の形状は、複数の突起６４ｂの先端を結ぶ面の形状に合わせて、接合部６２ａにおける対面の面方向の端部から中央部へ行く程高さ位置が高くなる形状とする。これにより、実施の形態１の変形例２の場合と同様の効果が得られる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 絶縁基板、１ａ 導体パターン、２ 電極端子、２ａ 接合部、２２ 電極端子、２２ａ 接合部、３２ 電極端子、３２ａ 接合部、４４ 超音波接合ツール、４４ａ 加圧面、４４ｂ 突起、５４ 超音波接合ツール、５４ａ 加圧面、５４ｂ 突起、６４ 超音波接合ツール、６４ａ 加圧面、６４ｂ 突起。

Claims (1)

1. 絶縁基板に形成された導体パターンに電極端子を、超音波接合ツールで荷重を加えながら超音波接合し半導体装置を製造する製造方法であって、
   前記超音波接合ツールは、前記電極端子に対面する先端部の加圧面に設けられた複数の突起を備え、
   前記加圧面の面方向の端部における前記突起の先端は、前記加圧面の面方向の中央部における前記突起の先端よりも前記電極端子側に位置し、
   複数の前記突起の先端を結ぶ面は、１つの方向のみに沿って延在する湾曲形状である、半導体装置の製造方法。

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