JP2013226580A - 超音波振動接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波接合時において接合部材に発生する負荷の低減を目的とする。特に回路パターンに対して電極端子接合面の傾きが生じた場合でも、電極端子との接触面に回路パターンに対する電極端子の食い込みを回避できる超音波接合を目標とする。
【解決手段】この発明に関わる超音波振動接合装置は、接合材と被接合材が載置される固定台と、先端部には接合時に接合材と被接合材を押圧する加圧面が設けられていて、加圧面には複数の突起が形成されている超音波接合ツールと、超音波接合ツールに連結された超音波振動子とを備えている。複数の突起の先端を結んでなる突起の包絡面は、加圧面の外側に向かって凸である。
【選択図】図４

Description

この発明は、超音波振動によって金属端子などを重ね合わせて接合する超音波振動接合装置に関し、特に、超音波振動接合装置に含まれる超音波接合ツールの構造に関する。

超音波振動接合装置では、基材（接合材）をアンビル（Anvil:固定台）に載せて固定する。基材の上には被接合材が載置され、被接合材の上にはホーン（超音波接合ツール）が下降する。ホーンは、基材に対して被接合材を押圧しながら、所定の周波数で被接合材を水平方向に超音波振動させる。この結果、押圧と超音波振動による摺動が相まって、基材と被接合材の接合面から金属表面の酸化物やその他の汚れが除去される。更に、摩擦発熱により材料の塑性流動が活性化され、接合面積が拡大するとともに、金属原子間で接合が進展する。ホーンをアンビルに向けて移動させる代わりに、アンビルをホーンに向けて移動させて加圧する装置も考案されている。

基材には、例えば回路パターンが形成された絶縁基板が用いられる。被接合材には、例えば引出端子が該当する。引出端子は、回路パターンである電極箔に電気的および機械的に接続されている。回路パターンの一部として形成された電極部分と、引出端子である電極端子は、超音波振動によって機械的および電気的に接合される。

超音波振動接合装置では、ホーンの振動を被接合材に滑りをおこすことなく伝えるために、ホーンの加圧面には複数の角錐状の突起部が形成されている。接合工程において、被接合材の表面にはホーンの突起部が食い込む。被接合材は突起部によってホーンに対して固定される。超音波接合する際に基材側に発生する負荷を低減し、基材の損傷を最小限にとどめるために、様々な対策が考えられてきた。

例えば、特許文献１は、Ａｌ（Ａｌ合金を含む）と他の金属とを超音波接合する場合を扱っている。接合部材に大きな損傷を与えることなく高強度に接合するために、接合界面にはクッション材の役割を果たす柔らかい低融点金属のＳｎまたはＩｎ金属が予め配置される。両接合部材に加熱と荷重と超音波を加えると、低融点金属は溶融排出され、両接合部材が接合される。

特許文献２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）などのパワー半導体モジュールを対象にしている。銅回路の一部としてセラミック基板上に直接形成される接合端子に対して、半導体チップの電極端子をワイヤボンデイングにより接続する場合、接合端部の材料のビッカース硬度（Ｈｖ）が８０よりも大きいと、セラミック基盤にダメージが生じることが記載されている。材料の望ましいビッカース硬度は８０以下、好ましくは６０以下とされる。

特許文献３には、電力半導体チップの電極と配線との接合強度を増すために、電極と配線の少なくとも一方の表面を凹凸形状に形成することが記載されている。両者は凹凸形状の表面を介して圧接接合される。低い荷重で接合面を変形させることで、接合時に必要な荷重が低減するとともに、回路パターンに対する電極端子接合面の傾きが生じた場合でも、必要な接合強度が得られる。

特許文献４は、半導体パッケージのリードを電極パッドに超音波ボンディングする場合を対象にしている。半導体実装基板に形成された電極パッドの中央部位には、同パッドに超音波ボンディングされるアウタリードよりも幅の狭い凸部を設ける。この半導体実装基
板を用いると、超音波接合ツールに加えられる荷重が減少し、超音波接合ツールの寿命が延びる。

特開平１０−０５０７５８号公報（３頁２７〜４１行、図１） 特許第３５２４３６０号公報（３頁１３〜３４行、表１） 特開２００３−０４５９２０号公報（２頁７４〜７９行） 特開平０８−０４５９９５号公報（２頁５５〜５８行）

このような構造を有する超音波振動接合装置では、電極端子の接合面に傾きが生じると電極端子の外周部が超音波接合ツールとの第一接触点となる。接合面の外周部が接触圧力の最大点となるため、局所的に回路パターンに対する電極端子の食い込みが生じる。接合部材および接合面近傍の部材に過大な負荷が発生すると接合部材が損傷する場合が想定される。一方で、電極端子の食い込みによる損傷を低減するために接合荷重を低くすると、接合面積が小さくなり、接合強度が低下する。そこで、回路パターンに対する電端子の局所的な食い込みを抑制すること、かつパワー半導体装置の繰返し熱変形に対して永久的な接続を得るために十分な接合面積を得ることが課題となる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、超音波接合時において接合部材に発生する負荷の低減を目的とする。特に回路パターンに対して電極端子接合面の傾きが生じた場合でも、電極端子との接触面に回路パターンに対する電極端子の食い込みを回避できる超音波接合を目標とする。

この発明に関わる超音波振動接合装置は、接合材と被接合材が載置される固定台と、先端部には接合時に接合材と被接合材を押圧する加圧面が設けられていて、加圧面には複数の突起が形成されている超音波接合ツールと、超音波接合ツールに連結された超音波振動子とを備えている。複数の突起の先端を結んでなる突起の包絡面は、加圧面の外側に向かって凸である。

この発明によれば、超音波接合ツールが接合面に対し傾きがあっても、基材の損傷を抑制し、被接合材と基材との十分な接合面積を確保できるので、超音波接合の信頼性を高めることができる。特に、超音波接合時に部材に発生する負荷が低減するため、パワー半導体装置の繰返し熱変形に対して接合部の長期信頼性が高くなる。

本発明にかかわる超音波振動接合装置を示す概略構成図である。 超音波接合に使う接合材と被接合材との関係を図示する模式図である。 本発明の実施の形態１による超音波接合ツールの形態を示す模式図である。 接合材と被接合材が超音波接合ツールで押圧されている状態を示す模式図である。 超音波接合ツールが傾いた状態で、接合材と被接合材を押圧している状態を示す模式図である。 本発明の実施の形態２による超音波接合ツールの形態を示す模式図である。 本発明の実施の形態３による超音波接合ツールの形態を示す模式図である。 本発明の実施の形態４による超音波接合ツールの形態を示す模式図である。 本発明の実施の形態５による超音波接合ツールの形態を示す模式図である。 本発明の実施の形態６による超音波接合ツールの形態を示す模式図である。 本発明の実施の形態７による超音波接合ツールの形態を示す模式図である。 本発明の実施の形態８による超音波接合ツールの形態を示す模式図である。 本発明の実施の形態９による超音波接合ツールの形態を示す模式図である。 本発明の実施の形態１０による超音波接合ツールの形態を示す模式図である。 本発明の実施の形態１１による超音波接合ツールの形態を示す模式図である。 本発明の実施の形態１２による超音波接合ツールの形態を示す模式図である。

実施の形態１．
本願に関わる超音波振動接合装置１００の全体構成を図１に基づいて説明する。圧電素子３１ａと金属板３１ｂから成るランジュバン型の超音波振動子３１はホルダー３０に取り付けられている。超音波接合ツール１２は、ホルダー３０に共振時の非振動位置（ノード点）で固定されている。超音波発信器２５は超音波振動子３１を制御する。超音波接合ツール１２は固定台（アンビル）４０に対向している先端部（金属ホーン）１２ａを有している。先端部１２ａは超音波接合ツール１２の軸に直交する配置で機械的に取り付けられている。先端部１２ａの中央部付近には円筒状のヒータコイル２４が、先端部１２ａを貫通する状態で取付けられている。ヒータコイル２４には加熱電源２２から電力が供給され、超音波接合ツール１２を昇温する。先端部１２ａには、超音波接合時に接合材と被接合材を押圧する加圧面１０が設けられている。

ホルダー３０には、電磁石３９と磁性体３７が対向する位置に取り付けられている。電磁石３９に電流を通電して接合時に超音波接合ツール１２に加える力を発生させる。超音波接合ツール１２に加える荷重は、圧力センサ３８によって荷重制御回路２０が検出する。シーケンス制御回路２９は設定荷重と同じ値になるように電磁石３９へ流す電流をフィードバック制御する。固定台４０には加工途中のパワー半導体装置が載置されている。パワー半導体装置は、ベース板２、絶縁基板４、半導体チップ５などから構成されている。半導体チップ５は、裏面に電極が形成され、ケースに収容される。

半導体チップ５は、珪素（Ｓｉ）によって形成されたものの他、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成しても良い。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドがある。ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失も低いため、電力用半導体素子を用いた装置の小型化が可能となる。動作温度が高いＳｉＣチップ等を搭載したパワー半導体装置では、繰返し熱変形によって接合部に作用する負荷が増大し、経年的に接合面が損傷して製品の機能が低下しやすいため、この発明の効果が顕著に得られる。

図２は、パワー半導体装置に含まれる電極端子を超音波接合ツールにより絶縁基板に押圧している状態を示している。絶縁基板４には回路パターン（接合材）６が形成されている。電極端子（被接合材）８を回路パターン６に超音波接合するために、超音波接合ツール１２の先端部１２ａを電極端子８の上方から押圧する。超音波接合ツール１２は通常半
波長の共鳴体で、その材質は一般的にアルミ合金やチタン合金が使われる。電極端子８は回路パターン６を外部電源に電気的・機械的に接続する。線分ＡＢと線分ＣＤは、互いに直交している。

図３は、実施の形態１にかかわる超音波接合ツールの先端部１２ａを模式的に表している。図３（Ａ）は図２に示した線分ＡＢおよび線分ＣＤに対する断面図を表している。図３（Ｂ）は加圧面を固定台の方向から見た状態をあらわしている。超音波接合ツールの加圧面１０Ａには複数の突起１６が形成されている。包絡面（または包絡線）２１は加圧面１０かけて形成されている複数の突起の先端を結んでいる。ドーム形状の加圧面１０に形成された１つあるいは複数個の突起１６によって、実施の形態１にかかわる超音波接合ツール１２の包絡面はドーム状を呈している。突起１６の形状は任意であるが、たとえば円錘、四角錐の突起形状にすることができる。ここでは加圧面と包絡面（または包絡線）２１とが平行である場合について例示しているが、加圧面と包絡面２１とは必ずしも平行でなくともよい。

実施の形態１にかかわる包絡面の断面は円弧状を呈している。突起１６の包絡面２１は中央部が固定台に向かって膨らんだ凸型である。凸部の位置は加圧面１０の中央であることが好ましいが、必ずしも中央でなくともよい。また、凸部は加圧面の端部を除く位置に複数設けられていてもよい。先端部１２ａの断面の形態は、特に限定されるものではないが、回転対称な円柱形、面対称な四角柱形などが考えられる。実施の形態１から６の先端部１２ａは円柱形状を呈している。複数の突起１６は、加圧面の全域にわたって分布している。

図４は、超音波による接合工程を示す断面図である。パワー半導体装置のベース板２には接合部材３で固定された絶縁基板４が載置されている。電極端子８は絶縁基板４に形成された回路パターン６に押圧されている。超音波接合ツール１２を荷重負荷方向１３に押し付けると接触圧力が生じる。超音波接合ツールは包絡面２１の中央部を第一接触点として電極端子８と接する。超音波振動によって、超音波接合ツール１２と電極端子８の食い込み量が多くなるに従い、電極端子８と回路パターン６の間の広い面積に接触圧が作用し、十分な接合面積が得られる。このとき、第一接触点である包絡面２１の中央部で接触圧力が高くなる。包絡面２１の外周部では接触圧力が下がるので、接合面の外周部における電極端子の局所的な食い込みが回避される。

電極端子８を回路パターン６（あるいは半導体チップの電極）に超音波接合する場合、電極端子８の接合面に摩擦力が生じる。超音波接合に必要な摩擦力は、電極端子８の平坦部１１に超音波接合ツール１２を荷重負荷方向１３に押し付ける力と、超音波接合ツール１２を超音波振動方向１４に振動させる力から発生する。このとき、超音波接合ツールの先端に設けられている突起１６は、電極端子８と超音波接合ツール１２の間にすべりが生じないように作用する。超音波接合工程において、十分な接合面積を確保して永久的な接続を達成できる接合強度を得るためには、接合部の部材が永久変形するほど大きい摩擦力が必要である。過大な摩擦力は接合部材および接合面近傍の部材を損傷させるが、突起１６は過大な力が作用しないように効率よく金属面同士を機械的に摩擦させる。

図５は、電極端子と回路パターンに対し、超音波接合ツール１２の先端部１２ａが傾いて接触している場合を示す断面図である。ドーム状に形成された加圧面１０には、複数の突起１６が形成されている。突起１６の頂点を結ぶ面で形成された超音波接合ツールの包絡面が電極端子８と接触する。回路パターンに対する電極端子の傾きが生じた場合でも、超音波接合ツールの包絡面２１は円弧状に形成されているため、第一接触点は超音波接合ツール１２の中央近傍となるので、電極端子の外周部で局所的な食い込みが避けられる。

実施の形態２．
実施の形態１に示した超音波接合ツールにおいて、断面が円弧状に形成された超音波接合ツールの包絡面２１は、部分的に突起１６の高さを変えて作製してもよい。図６には、突起の高さが、加圧面の外周部から中心部に向かうほど高くなっている場合を示している。この形状によれば、超音波接合ツールの加工が容易になるため、コスト低減の効果がある。実施の形態２による超音波接合ツール１２の先端部１２ａの断面は円柱形状に加工されているが、円柱形状に限定されるものではない。

実施の形態３．
図７は実施の形態３による超音波接合ツールを示す図である。超音波接合ツールの加圧面１０Ａの形状は、回転対象な矩形形状である。この形状によれば、超音波接合ツールの加工が容易になるため、コスト低減の効果がある。なお、超音波振動方向をＡＢ断面として図示したが、ＣＤ断面と入れ替えても同様の効果を得られる。

実施の形態４．
図８は実施の形態４による超音波接合ツールを示す図である。実施の形態１に示す超音波接合ツールにおいて、超音波接合ツールの断面形状は、包絡線が三角形状であってもよい。実施の形態４による加圧面１０Ａの形状は、回転対象な矩形形状である。この形状によれば、接合ツールの加工が容易になるため、コスト低減の効果がある。なお、超音波振動方向をＡＢ断面として図示したが、ＣＤ断面と入れ替えても同様の効果を得られる。

実施の形態５．
図９は実施の形態５による超音波接合ツールを示す図である。超音波接合ツールの断面形状は、包絡線が台形形状である。この形状によれば、超音波接合ツールの加工が容易になるため、コスト低減の効果がある。なお、超音波振動方向をＡＢ断面として図示したが、ＣＤ断面と入れ替えても同様の効果を得られる。

実施の形態６．
図１０は実施の形態６による超音波接合ツールを示す図である。超音波接合ツールの加圧面１０Ａの形状は、包絡線が階段を背中あわせにして繋ぎ合わせた形状である。この形状によれば、超音波接合ツールの加工が容易になるため、コスト低減の効果がある。なお、超音波振動方向をＡＢ断面として図示したが、ＣＤ断面と入れ替えても同様の効果を得られる。

実施の形態７．
図１１は実施の形態７による超音波接合ツールを示す図である。実施の形態７から１１に示す超音波接合ツールにおいて、先端部１２ａの断面形状は四角である。加圧面１０Ｂの形状は、包絡面２１の断面が円弧状を示している。この形状によれば、接合ツールの加工が容易になるため、コスト低減の効果がある。なお、超音波振動方向をＡＢ断面として図示したが、ＣＤ断面と入れ替えても同様の効果を得られる。

実施の形態８．
図１２は実施の形態８による超音波接合ツールを示す図である。図１２（Ｂ）に示す加圧面１０Ｂは、先端部１２ａに対称面が１つ有る場合を表している。図１２（Ｃ）に示す加圧面１０Ｃは先端部１２ａに直交する対称面が２つ有る場合を示している。加圧面１０Ｂと加圧面１０ＣはＡＢ断面で見ると、同じ矩形形状である。この形状によれば、接合ツールの加工が容易になるため、コスト低減の効果がある。なお、超音波振動方向をＡＢ断面として図示したが、ＣＤ断面と入れ替えても同様の効果を得られる。

実施の形態９．
図１３は実施の形態９による超音波接合ツールを示す図である。実施の形態９に示す超音波接合ツールにおいて、先端部１２ａの断面形状は四角である。図１３（Ｂ）に示す加圧面１０Ｂは、先端部１２ａに対称面が１つ有る場合を表している。図１３（Ｃ）に示す加圧面１０Ｃは先端部１２ａに直交する対称面が２つ有る場合を示している。加圧面１０Ｂと加圧面１０ＣはＡＢ断面で見ると、同じ三角形状である。この形状によれば、接合ツールの加工が容易になるため、コスト低減の効果がある。なお、超音波振動方向をＡＢ断面として図示したが、ＣＤ断面と入れ替えても同様の効果を得られる。

実施の形態１０．
図１４は実施の形態１０による超音波接合ツールを示す図である。実施の形態１０に示す超音波接合ツールにおいて、先端部１２ａの断面形状は四角である。図１４（Ｂ）に示す加圧面１０Ｂは、先端部１２ａに対称面が１つ有る場合を表している。図１４（Ｃ）に示す加圧面１０Ｃは先端部１２ａに直交する対称面が２つ有る場合を示している。加圧面１０Ｂと加圧面１０ＣはＡＢ断面で見ると、台形形状である。この形状によれば、接合ツールの加工が容易になるため、コスト低減の効果がある。なお、超音波振動方向をＡＢ断面として図示したが、ＣＤ断面と入れ替えても同様の効果を得られる。

実施の形態１１．
図１５は実施の形態１１による超音波接合ツールを示す図である。実施の形態１１に示す超音波接合ツールにおいて、先端部１２ａの断面形状は四角である。図１５（Ｂ）に示す加圧面１０Ｂは、先端部１２ａに対称面が１つ有る場合を表している。図１５（Ｃ）に示す加圧面１０Ｃは先端部１２ａに直交する対称面が２つ有る場合を示している。加圧面１０Ｂと加圧面１０ＣはＡＢ断面で見ると、包絡線が階段を背中合わせにして繋ぎ合わせた形状である。

実施の形態１２．
加圧面１０には突起１６が形成されていない部分が存在していてもよい。図１６は実施の形態１２による超音波接合ツールを示す図である。実施の形態１２に示す超音波接合ツールの先端部１２ａは円柱状であるが、四角柱状でもよい。複数の突起１６は、加圧面１０Ａの内側部にわたって分布しているが、加圧面１０Ａの周辺部は更地１５の状態にある。

半導体チップ５にＳｉＣを用いた場合、半導体装置１はその特徴を生かすべくＳｉの時と比較してより高温で動作させることになる。ＳｉＣデバイスを搭載する半導体装置においては、半導体装置としてより高い信頼性が求められるため、高信頼の半導体装置を実現するという本発明のメリットはより効果的なものとなる。

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。

ベース板 ２、接合部材 ３絶縁基板 ４、半導体チップ ５、回路パターン ６、電極端子 ８、加圧面 １０、平坦部 １１、超音波接合ツール １２、先端部 １２ａ、荷重負荷方向 １３、超音波振動方向 １４、加圧面 １０、更地 １５、突起 １６、包絡面 ２１、ヒータコイル ２４、超音波発信器 ２５、シーケンス制御回路 ２９、超音波振動子 ３１、ホルダー ３０、磁性体 ３７、圧力センサ ３８、電磁石 ３９、固定台 ４０。

Claims (16)

1. 接合材と被接合材が載置される固定台と、
   先端部には接合時に前記接合材と前記被接合材を押圧する加圧面が設けられていて、前記先端部の加圧面には複数の突起が形成されている超音波接合ツールと、
   前記超音波接合ツールに連結された超音波振動子とを備え、
   前記複数の突起の先端を結んでなる突起の包絡面は、前記加圧面の外側に向かって凸であることを特徴とする超音波振動接合装置。
2. 前記加圧面に形成されている複数の突起は、前記加圧面の全域にわたって分布していることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動接合装置。
3. 前記超音波接合ツールの先端部は、回転対称な形状を呈していることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動接合装置。
4. 前記突起の包絡面は、断面が円弧状であることを特徴とする請求項３に記載の超音波振動接合装置。
5. 前記突起の高さは、前記加圧面の周辺部から中心部に向かうほど高くなっていることを特徴とする請求項４に記載の超音波振動接合装置。
6. 前記突起の包絡面は、断面が矩形状であることを特徴とする請求項３に記載の超音波振動接合装置。
7. 前記突起の包絡面は、断面が三角形状であることを特徴とする請求項３に記載の超音波振動接合装置。
8. 前記突起の包絡面は、断面が台形状であることを特徴とする請求項３に記載の超音波振動接合装置。
9. 前記突起の包絡面は、断面が階段を背中あわせにして繋ぎ合せた形状であることを特徴とする請求項３に記載の超音波振動接合装置。
10. 前記超音波接合ツールの先端部は、対称面を有する面対称な形状を呈していることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動接合装置。
11. 前記突起の包絡面は、前記対称面に直交する方向の断面が円弧状であることを特徴とする請求項１０に記載の超音波振動接合装置。
12. 前記突起の包絡面は、前記対称面に直交する方向の断面が矩形状であることを特徴とする請求項１０に記載の超音波振動接合装置。
13. 前記突起の包絡面は、前記対称面に直交する方向の断面が三角形状であることを特徴とする請求項１０に記載の超音波振動接合装置。
14. 前記突起の包絡面は、前記対称面に直交する方向の断面が台形状であることを特徴とする請求項１０に記載の超音波振動接合装置。
15. 前記突起の包絡面は、前記対称面に直交する方向の断面が階段を背中合わせにして繋ぎ合わせた形状であることを特徴とする請求項１０に記載の超音波振動接合装置。
16. 前記加圧面に形成されている複数の突起は、前記加圧面の中央部分に分布していて、前記中央部分を囲む前記加圧面の周辺部分は更地状態にあることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動接合装置。