JP7012473B2 - モジュール、半導体モジュール及びボンディングツール - Google Patents

Description

本発明は、モジュール、半導体モジュール及びボンディングツールに関するものである。

近年、電気自動車等では、大きな電力を扱う半導体モジュール等のモジュールが備えられている。例えば、特許文献１に開示されているように、大きな電力を扱うモジュールでは、電流容量を増加させるために、ボンディングワイヤに換えて帯状の導電リボンが用いられている。特許文献１では、このような導電リボンは、導電パッドに対して超音波振動接合によって圧着されている。導電リボンを導電パッドに圧着させる場合には、先端面に複数の突起部が２次元的に配列されたボンディングツールを導電リボンに押し当て、ボンディングツールを介して、超音波を印加することにより、導電リボンを導電パッドに対して溶着させている。

特開２０１２－１２４２４７号公報

ボンディングツールに２次元的に配列された複数の突起部を形成することで、ボンディングツールから導電リボンに超音波を印加した場合に、流動化した導電リボンの形成材料が突起部同士の間を流れることができ、導電リボンが強く潰される。この結果、全体として導電リボンと導電パッドとの接合強度を向上させることができる。

一方で、一般的に導電リボンは、導電パッドに接合された箇所の端部から導電パッドに対して上方に起き立つような山なり形状に配設される。この起立された箇所と導電パッドに接合された箇所の端部との境界は、例えばネック部と称され、熱負荷等による導電リボン等の変形時に最も応力が集中する箇所である。しかも、上述のように導電リボンがボンディングツールの突起部によって局所的に強く潰されていると、ネック部近傍の引張強度が薄肉化によって低下することに加えて、導電リボンの反り、捩れあるいは波打ちといった接合部周辺の弾性変形による残留応力（いわゆるスプリングバック）も大きくなる。これらがネック部近傍に作用するため、総じてネック部近傍において導電リボンが破断する可能性がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、帯状の導電リボンを導電パッドに接合する場合の全体としての接合強度を確保しつつ、導電リボンのネック部近傍の引張強度を向上させることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、導電パッドに対して圧着される帯状の導電リボンが、上記導電リボンの幅方向に離散的に配列された複数の圧痕を有する主接合部を介して上記導電パッドに対して圧着されたモジュールであって、上記導電リボンと上記導電パッドとを接合し、上記導電リボンの幅方向に直線状に連続して設けられる直線状の圧痕を有する直線状接合部を備え、上記導電リボンが、上記直線状接合部を起点として上記導電パッドから離間する方向に向けて起立されているという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記直線状接合部の上記主接合部側に隣接配置されると共に上記導電リボンの幅方向に離散的に複数設けられる圧痕を有する点状接合部を備えるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記導電リボンの幅方向と直交する断面視にて、上記直線状接合部の圧痕と上記点状接合部の圧痕とを合わせた形状が、上記主接合部の上記圧痕の形状と一致されているという構成を採用する。

第４の発明は、半導体モジュールであって、上記第１～第３いずれかの発明であるモジュールからなる、あるいは、上記第１～第３いずれかの発明であるモジュールを備え、上記導電パッドに対して上記導電リボンによって接続された半導体チップを備えるという構成を採用する。

第５の発明は、先端面側を帯状の導電リボンに対して押圧させて超音波振動を伝達することによって上記導電リボンを導電パッドに圧着させる棒状のボンディングツールであって、上記先端面に設けられると共に２次元的に配列される複数の突起部を有する主当接部と、上記先端面の上記主当接部と隣接する領域に設けられると共に上記突起部同士の間を埋設した直線的に連続した形状を有する直線状突起部とを有するという構成を採用する。

第６の発明は、上記第５の発明において、上記先端面を有すると共に上記直線状突起部が上記先端面の端部に配置された基台を有し、上記基台が、上記直線状突起部が配置された端部に位置する角部に上記直線状突起部と連続した形状を有する面取り部を備えているという構成を採用する。

第７の発明は、上記第５または第６の発明において、上記直線状突起部が、同一断面形状にて直線状に連続する先端部と、上記先端部よりも上記主当接部側に設けられると共に上記先端部が連続する方向に離散的に配列された複数の段部とを有するという構成を採用する。

第８の発明は、上記第５～第７いずれかの発明において、上記直線状突起部が連続する方向において上記主当接部を間に挟んで配置される一対の壁部を有するという構成を採用する。

本発明によれば、直線状接合部では主接合部と異なり、導電リボンが幅方向において平坦な状態となる。しかも導電リボンは、直線状接合部を起点として導電パッドから離間する方向に起立されている。このため、直線状接合部での残留応力が主接合部よりも低くなり、直線状接合部における引張強度が向上されている。つまり、本発明においては、導電リボンが湾曲されるネック部の近傍に引張強度が高い直線状接合部が設けられている。さらに、本発明によれば、主接合部では導電リボンの幅方向に離散的に複数の圧痕があることから、高い接合強度を得ることができる。したがって、本発明によれば、帯状の導電リボンを導電パッドに接合する場合の全体としての接合強度を確保しつつ、導電リボンのネック部近傍の引張強度を向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態における半導体モジュールの概略構成を模式的に示す断面図である。 （ａ）が本発明の一実施形態における半導体モジュールが備える半導体チップの導電パッドと導電リボンとの接合箇所の平面図であり、（ｂ）が（ａ）のＡ－Ａ断面図である。 半導体モジュールが備える半導体チップの導電パッドと導電リボンと接合するためのボンディングツールの概略構成図であり、（ａ）が斜視図、（ｂ）が平面図であり、（ｃ）が側面図である。 半導体モジュールが備える半導体チップの導電パッドと導電リボンと接合するためのボンディングツールの変形例を示す斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るモジュール、半導体モジュール及びボンディングツールの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態の半導体モジュール１の概略構成を模式的に示す断面図である。この図に示すように、本実施形態の半導体モジュール１は、第１リード部２と、導電性接合部３と、半導体チップ４と、第２リード部５と、導電リボン６と、樹脂モールド部７とを備えている。

第１リード部２は、半導体チップ４の下面と導電性接合部３を介して接続されており、樹脂モールド部７の内部から外部に引き出されている。導電性接合部３は、第１リード部２と半導体チップ４の下面とを接合する導電性の部位であり、例えば導電性ペーストが加熱硬化されることによって形成されている。半導体チップ４は、いわゆるベアチップであり、上面と下面とに導電パッドが形成されている。半導体チップ４の上面に形成された導電パッド（以下、導電パッド４ａと称する）には、導電リボン６が接続されている。

第２リード部５は、第１リード部２と切り離されており、導電リボン６を介して半導体チップ４の上面と接続されている。この第２リード部５の端部は導電パッド（以下、導電パッド５ａと称する）とされており、導電リボン６が接続されている。このような第２リード部５は、樹脂モールド部７の内部から外部に引き出されている。

導電リボン６は、導電性の材料（例えば、銅（Ｃｕ）材やアルミニウム（Ａｌ）材）によって形成された帯状の部材であり、半導体チップ４と第２リード部５とを電気的に接続している。導電リボン６の一端部は、半導体チップ４の上面に形成された導電パッド４ａと接続されている。また、導電リボン６の他端部は、第２リード部５の導電パッド５ａと接続されている。樹脂モールド部７は、半導体チップ４等を包含しており、半導体チップ４を外気等から保護するための部材であり、絶縁性の樹脂によって形成されている。

図２（ａ）は、半導体チップ４の導電パッド４ａと導電リボン６との接合箇所の平面図である。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ断面図である。これらの図に示すように、本実施形態の半導体モジュール１では、半導体チップ４の導電パッド４ａと導電リボン６とは、主接合部１０と、直線状接合部１１と、点状接合部１２とによって接合されている。

主接合部１０は、導電リボン６の幅方向に離散的に配列された複数の圧痕１０ａを有している。これらの圧痕１０ａは、導電リボン６の幅方向のみならず、導電リボン６の長手方向にも離散的に複数設けられている。各々の圧痕１０ａは、略楔形の形状とされている。導電リボン６は、主接合部１０の全面において半導体チップ４の導電パッド４ａと接触されているが、導電パッド４ａに圧着されているのは各々の圧痕１０ａの箇所となっている。この主接合部１０は、図２（ａ）に示すように、導電リボン６の幅方向に他の部位と比較して広く膨出して設けられている。

直線状接合部１１は、導電リボン６の幅方向に直線状に連続して設けられた圧痕１１ａを有する接合部である。この直線状接合部１１は、導電リボン６の幅方向において、導電リボン６が略均一な厚さ寸法とされた部位であり、図２（ａ）に示すように、主接合部１０と比較して導電リボン６の幅方向の膨出量が極めて小さく、接合されていない導電リボン６の部位と略同一の幅とされている。この直線状接合部１１は、図２（ｂ）に示すように、主接合部１０と、直線状接合部１１と、点状接合部１２とのなかで最も導電リボン６のネック部６ａに近接して設けられている。なお、直線状接合部１１の圧痕１１ａは、図２（ｂ）に示すように、導電リボン６の幅方向と直交する断面において、主接合部１０の圧痕１０ａを、導電リボン６の端部と反対側から略３分の２とした形状を有している。

点状接合部１２は、直線状接合部１１の主接合部１０側に隣接配置されている。この点状接合部１２は、導電リボン６の幅方向に離散的に複数設けられる圧痕１２ａを有している。これらの圧痕１２ａは、図２（ｂ）に示すように、導電リボン６の幅方向と直交する断面において、主接合部１０の圧痕１０ａを、導電リボン６の端部側から略３分の１とした形状を有している。

本実施形態においては、点状接合部１２が直線状接合部１１の導電リボン６の端部側に隣接して配置されており、直線状接合部１１の圧痕１１ａの断面形状が主接合部１０の圧痕１０ａを導電リボン６の端部と反対側から３分の２とした形状とされ、点状接合部１２の圧痕１２ａの断面形状が主接合部１０の圧痕１０ａを導電リボン６の端部側から３分の１とした形状とされている。このため、本実施形態においては、導電リボン６の幅方向と直交する断面視にて、直線状接合部１１の圧痕１１ａと点状接合部１２の圧痕１２ａとを合わせた形状が、主接合部１０の圧痕１０ａの形状と一致されている。

また、本実施形態においては、導電リボン６と第２リード部５の導電パッド５ａとも、半導体チップ４の導電パッド４ａと導電リボン６と同様に、主接合部１０と、直線状接合部１１と、点状接合部１２とによって接合されている。

本実施形態においては、導電リボン６は、これらの主接合部１０と、直線状接合部１１と、点状接合部１２とによって導電パッド４ａあるいは導電パッド５ａと接合されており、これらの主接合部１０、直線状接合部１１及び点状接合部１２のうち、直線状接合部１１を起点として起立されている。

続いて、このような導電リボン６と、導電パッド４ａとを接合するためのボンディングツール２０について説明する。図３は、ボンディングツール２０を示す図であり、（ａ）が斜視図であり、（ｂ）が底面図であり、（ｃ）が側面図である。なお、図３（ａ）においては、先端面２１ａを上方に向けた状態でボンディングツール２０が図示されている。

ボンディングツール２０は、先端面２１ａを有する基台２１と、基台２１の先端面２１ａに形成される主当接部２２及び直線状突起部２３とを有している。基台２１は、先端面２１ａと直交する方向を長手方向とする略四角柱状の棒状部材である。このような基台２１の先端面２１ａは、導電リボン６が半導体チップ４の導電パッド４ａや第２リード部５の導電パッド５ａと接合される場合に、導電リボン６に対して押圧される部位である。なお、図３（ｃ）に示すように、基台２１の直線状突起部２３が配置される端部に位置する角部に面取り部２１ｂを有している。この面取り部２１ｂは、直線状突起部２３の外側傾斜面２３ｃの連続面とされており、外側傾斜面２３ｃと面一とされている。

主当接部２２は、基台２１の先端面２１ａに設けられると共に２次元的に等間隔で配列された複数の突起部２２ａを有している。これらの突起部２２ａは、略四角錐形状とされており、互いに同一形状とされている。これらの突起部２２ａは、ボンディングツール２０の先端面２１ａが導電リボン６に押し当てられることにより、主接合部１０の圧痕１０ａを形成する。

直線状突起部２３は、基台２１の先端面２１ａの主当接部２２と隣接する領域であって先端面２１ａの端部に設けられている。この直線状突起部２３は、主当接部２２の突起部２２ａ同士の隙間を埋設した直線的に連続した形状とされている。なお、本実施形態では、主当接部２２の突起部２２ａを、平面視における突起部２２ａの主当接部２２と反対側の端部から３分の２の位置までの範囲で埋設した形状とされている。これによって、直線状突起部２３は、同一断面形状にて直線状に連続する先端部２３ａと、先端部２３ａよりも主当接部２２側に設けられると共に、直線状突起部２３が連続する方向（直線状突起部２３の延伸方向）に離散的に配列された複数の段部２３ｂとを有している。

この直線状突起部２３は、図３（ｃ）に示すように、側方から見て、先端部２３ａを境として、基台２１の端部側に外側傾斜面２３ｃを有し、主当接部２２側に内側傾斜面２３ｄを有している。このような直線状突起部２３を側面から見た外形形状は、主当接部２２の突起部２２ａと同一とされている。なお、上述のように、直線状突起部２３の外側傾斜面２３ｃは、基台２１の面取り部２１ｂと面一とされている。

このような直線状突起部２３は、ボンディングツール２０の先端面２１ａが導電リボン６に押し当てられることにより、直線状接合部１１の圧痕１１ａと点状接合部１２の圧痕１２ａとを形成する。

例えば、ボンディングツール２０を用いて導電リボン６を導電パッド４ａに接合する場合には、直線状突起部２３が導電リボン６を起立させる側、すなわち導電リボン６の端部とは反対側を指向するように配置し、先端面２１ａ側を導電リボン６に当接させる。続いて、ボンディングツール２０を介して超音波振動が導電リボン６に伝達され、導電リボン６が導電パッド４ａあるいは導電パッド５ａに圧着される。この際、導電リボン６がボンディングツール２０によって圧潰されることによって圧し延ばされるが、その際、突起部２２ａ同士の隙間が大きな主当接部２２の側方に対しては特に大きく広がるのに対して、直線状接合部１１の設けられた方向（導電リボン６を起立させる側）にはあまり広がらない。しかも、導電リボン６は、直線状接合部１１を起点として導電パッド４ａから離間する方向に折り曲げられ、外側傾斜面２３ｃに沿って起立される。その後、導電リボン６を導電パッド５ａ上に延在させる。上述の導電パッド４ａに接合する場合と同様にして、ボンディングツール２０を用いて導電リボン６を導電パッド５ａに接合し、樹脂モールド部７でモールドすることで半導体モジュール１が製造される。

このようにして製造された本実施形態の半導体モジュール１によれば、直線状接合部１１では主接合部１０と異なり、導電リボン６が平坦な状態となる。しかも、導電リボン６は、ボンディングツール２０によって圧潰されることによって直線状接合部１１を起点として導電パッド４ａあるいは導電パッド５ａから離間する方向に折り曲げられ、これにより導電パッド４ａあるいは導電パッド５ａから起立している。このため、直線状接合部１１での残留応力が主接合部１０よりも低くなり、直線状接合部１１における引張強度が向上される。つまり、本実施形態においては、導電リボン６がネック部６ａの近傍に引張強度が高い直線状接合部１１が設けられている。さらに、本実施形態によれば、主接合部１０では導電リボン６の幅方向に離散的に複数の圧痕１０ａがあることから、高い接合強度を得ることができる。したがって、本実施形態の半導体モジュール１によれば、帯状の導電リボン６と導電パッド４ａあるいは導電パッド５ａとの接合強度を確保しつつ、導電リボン６のネック部６ａの近傍の引張強度を向上させることが可能となる。

また、本実施形態の半導体モジュール１においては、直線状接合部１１の主接合部１０側に隣接配置されると共に導電リボン６の幅方向に離散的に複数設けられる圧痕１２ａを有する点状接合部１２を備えている。このため、導電リボン６と導電パッド４ａあるいは導電パッド５ａとの接合強度をさらに高めることができる。ただし、圧痕１２ａを形成する際の導電リボン６の塑性変形は、直線状接合部１１によってネック部６ａに伝わることがないため、点状接合部１２によって導電リボン６の引張強度が低下することを防止することができる。

また、本実施形態の半導体モジュール１においては、導電リボン６の幅方向と直交する断面視にて、直線状接合部１１の圧痕１１ａと点状接合部１２の圧痕１２ａとを合わせた形状が、主接合部１０の圧痕１０ａの形状と一致されている。このように圧痕の形状が揃えられることによって、局所的に残留応力が高い部位が発生することを抑制することが可能となる。換言すると、導電リボン６の接合後の捩れ、反りあるいは波打ちといったような変形が抑制される。

また、本実施形態におけるボンディングツール２０は、先端面２１ａに設けられると共に２次元的に配列される複数の突起部２２ａを有する主当接部２２と、先端面２１ａの主当接部２２と隣接する領域に設けられると共に突起部２２ａ同士の間を埋設した直線的に連続した形状を有する直線状突起部２３とを有している。このため、ボンディングツール２０を導電リボン６に当接させて超音波振動を付与することによって、主接合部１０、直線状接合部１１及び点状接合部１２を有する半導体モジュール１を容易に製造することができる。

また、本実施形態におけるボンディングツール２０は、基台２１の直線状突起部２３が配置される端部に位置する角部に面取り部２１ｂを有している。このため、ボンディングツール２０の角部が導電リボン６に食い込むことを防止することができ、導電リボン６のネック部６ａの起立姿勢の調整を容易に行うことができる。

また、本実施形態におけるボンディングツール２０においては、直線状突起部２３が、同一断面形状にて直線状に連続する先端部２３ａと、先端部２３ａよりも主当接部２２側に設けられると共に連続方向に離散的に配列された複数の段部２３ｂとを有する。このため、導電リボン６の幅方向に離散的に複数設けられる圧痕１２ａを有する点状接合部１２を備える半導体モジュール１を容易に製造することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、図４に示すように、ボンディングツール２０が、直線状突起部２３が連続する方向にて、主当接部２２を間に挟んで配置される一対の壁部２４を備える構成を採用することも可能である。これらの壁部２４は、先端面２１ａからの突出量が、主当接部２２の突起部２２ａと同一になるように設定されている。このような壁部２４を備えることにより、導電リボン６が接合時に幅方向に膨出することを防ぐことが可能となる。

また、上記実施形態においては、半導体チップ４を備える半導体モジュール１に本発明を適用した例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、半導体チップ４を備えずに、導電リボンを導電パッドに接合する構造を有するモジュールに適用することも可能である。

１……半導体モジュール（モジュール）、２……第１リード部、３……導電性接合部、４……半導体チップ、４ａ……導電パッド、５……第２リード部、５ａ……導電パッド、６……導電リボン、６ａ……ネック部、７……樹脂モールド部、１０……主接合部、１０ａ……圧痕、１１……直線状接合部、１１ａ……圧痕、１２……点状接合部、１２ａ……圧痕、２０……ボンディングツール、２１……基台、２１ａ……先端面、２１ｂ……面取り部、２２……主当接部、２２ａ……突起部、２３……直線状突起部、２３ａ……先端部、２３ｂ……段部、２３ｃ……外側傾斜面、２３ｄ……内側傾斜面、２４……壁部

Claims (8)

1. 導電パッドに対して圧着される帯状の導電リボンが、前記導電リボンの幅方向に離散的に配列された複数の圧痕を有する主接合部を介して前記導電パッドに対して圧着されたモジュールであって、
   前記導電リボンと前記導電パッドとを接合し、前記導電リボンの幅方向に直線状に連続して設けられる直線状の窪みからなる圧痕を有する直線状接合部を備え、
   前記導電リボンは、前記直線状接合部を起点として前記導電パッドから離間する方向に向けて起立されている
   ことを特徴とするモジュール。
2. 前記直線状接合部の前記主接合部側に隣接配置されると共に前記導電リボンの幅方向に離散的に複数設けられる圧痕を有する点状接合部を備えることを特徴とする請求項１記載のモジュール。
3. 前記導電リボンの幅方向と直交する断面視にて、前記直線状接合部の圧痕と前記点状接合部の圧痕とを合わせた形状が、前記主接合部の前記圧痕の形状と一致されていることを特徴とする請求項２記載のモジュール。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載のモジュールからなる、あるいは、請求項１～３のいずれか一項に記載のモジュールを備え、
   前記導電パッドに対して前記導電リボンによって接続された半導体チップを備える
   ことを特徴とする半導体モジュール。
5. 先端面側を帯状の導電リボンに対して押圧させて超音波振動を伝達することによって前記導電リボンを導電パッドに圧着させる棒状のボンディングツールであって、
   前記先端面に設けられると共に２次元的に配列される複数の突起部を有する主当接部と、
   前記先端面の前記主当接部と隣接する領域に設けられると共に前記突起部同士の間を埋設した直線的に連続した形状を有する直線状突起部と
   を有することを特徴とするボンディングツール。
6. 前記先端面を有すると共に前記直線状突起部が前記先端面の端部に配置された基台を有し、
   前記基台は、前記直線状突起部が配置された端部に位置する角部に前記直線状突起部と連続した形状を有する面取り部を備えている
   ことを特徴とする請求項５記載のボンディングツール。
7. 前記直線状突起部は、
   同一断面形状にて直線状に連続する先端部と、
   前記先端部よりも前記主当接部側に設けられると共に前記先端部が連続する方向に離散的に配列された複数の段部と
   を有することを特徴とする請求項５または６記載のボンディングツール。
8. 前記直線状突起部が連続する方向にて前記主当接部を間に挟んで配置される一対の壁部を有することを特徴とする請求項５～７いずれか一項に記載のボンディングツール。

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