(57)【要約】【課題】接合部の劣化を緩和し、冷熱サイクルに対して十分な寿命を実現することが可能なボンディング構造を提供することを課題とする。【解決手段】ボンディングリボン１０を、ボンディングリボン１０と線膨張係数の異なる材質からなる半導体チップ２０に接合することにより得られるボンディング構造１であって、ボンディングリボン１０と半導体チップ２０との接合部１５の接合界面４０に、接合界面４０をその長手方向に向けて複数に分割する未接合部４５を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属導線を、該金属導線と線膨張係数の異なる材質からなる被接合部材に接合することにより得られるボンディング構造であって、
前記金属導線と被接合部材との接合部の接合界面に、該接合界面をその長手方向に向けて複数に分割する未接合部を有するボンディング構造。
【請求項２】
前記未接合部は、前記金属導線と被接合部材との接合時に該金属導線と被接合部材との間に介在する接合阻害物質により形成される請求項１に記載のボンディング構造。
【請求項３】
前記接合阻害物質は、前記金属導線と被接合部材との接合前に、前記金属導線の幅方向中央部に、該金属導線の延出方向に沿って直線状に設けられ、
前記未接合部は、前記接合界面の長手方向中央部に形成される請求項２に記載のボンディング構造。
【請求項４】
金属導線を、該金属導線と線膨張係数の異なる材質からなる被接合部材に接合することにより得られるボンディング構造であって、
前記金属導線と被接合部材との接合部における前記金属導線には、接合部の短手方向に沿って、前記接合部の接合側表面と反対側表面にスリットが形成されるボンディング構造。
【請求項５】
前記スリットは、前記金属導線と被接合部材との接合時に、前記接合部の長手方向中央部に配置される請求項４に記載のボンディング構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボンディング構造に関し、特に、ボンディングリボンを被接合面に接合する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワーモジュール等の大容量の半導体モジュールを有する半導体装置では、基板と半導体モジュールとを電気的に接続する際に、大電流に耐え得るボンディングリボン、又は太線の（例えば、直径０．３ｍｍ以上の）ボンディングワイヤ等の断面積の大きい金属導線を用いて接続する技術が広く用いられている。
このような金属導線を接合する際は、超音波式のボンディングツールを用いて荷重と超音波振動とを付加することによって、金属導線表面及び被接合部材（半導体モジュール又は基板）表面の接合阻害物を除去しつつ接合する技術は公知となっている。
【０００３】
半導体装置使用時には、半導体モジュールの発熱により装置全体で加熱・冷却の冷熱サイクルが繰り返される。上記の半導体装置において、導線及び被接合部材の線膨張係数が異なる場合、例えばアルミニウム製のボンディングリボンと半導体モジュールを構成するシリコン製の半導体チップとを接合してなるボンディング構造を有する半導体装置では、前記冷熱サイクル中のボンディングリボンと基板との間に熱収縮量の差（熱ひずみ）が発生する。そして、この熱ひずみによって接合部端部から内部に向かって破断（クラック）が発生し、接合部の接合幅が徐々に縮小するという問題があった。また、このような冷熱サイクルに起因する接合幅の縮小は、半導体装置の装置寿命の短縮に繋がり、ひいては半導体装置の信頼性が低下するという問題がある。
【０００４】
上記のような問題を解消する手段として、特許文献１には、ボンディングワイヤの未接合部におけるボンディングワイヤとパッドとの接触角を大きくして、未接合部への応力集中を軽減することによって、未接合部先端から接合部内部へのクラックを防止する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献１に開示される技術では、接合部における接合幅が広い方向での熱ひずみによる接合剥離が生じ易く、接合部の劣化を十分に緩和できない点で不利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１９９９２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、接合部の劣化を緩和し、冷熱サイクルに対して十分な寿命を実現することが可能なボンディング構造を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載のボンディング構造は、金属導線を、該金属導線と線膨張係数の異なる材質からなる被接合部材に接合することにより得られるボンディング構造であって、前記金属導線と被接合部材との接合部の接合界面に、該接合界面をその長手方向に向けて複数に分割する未接合部を有する。
【０００８】
請求項２に記載のように、前記ボンディング構造において、前記未接合部は、前記金属導線と被接合部材との接合時に該金属導線と被接合部材との間に介在する接合阻害物質により形成されることが好ましい。
【０００９】
請求項３に記載のように、前記ボンディング構造において、前記接合阻害物質は、前記金属導線と被接合部材との接合前に、前記金属導線の幅方向中央部に、該金属導線の延出方向に沿って直線状に設けられ、前記未接合部は、前記接合界面の長手方向中央部に形成されることが好ましい。
【００１０】
請求項４に記載のボンディング構造は、金属導線を、該金属導線と線膨張係数の異なる材質からなる被接合部材に接合することにより得られるボンディング構造であって、前記金属導線と被接合部材との接合部における前記金属導線には、接合部の短手方向に沿って、前記接合部の接合側表面と反対側表面にスリットが形成される。
【００１１】
請求項５に記載のように、前記ボンディング構造において、前記スリットは、前記金属導線と被接合部材との接合時に、前記接合部の長手方向中央部に配置されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、接合部の劣化を緩和し、冷熱サイクルに対して十分な寿命を実現することが可能なボンディング構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第一実施形態に係るボンディング構造を示す側面図である。
【図２】第一実施形態に係るボンディング構造を示す平面図である。
【図３】第一実施形態に係るボンディング構造を示す背面図である。
【図４】接合阻害物質をボンディングリボンに塗布する実施形態を示す図である。
【図５】接合阻害物質をプリント基板に設ける実施形態を示す図である。
【図６】ボンディングツールによって接合界面に未接合部を設ける実施形態を示す図である。
【図７】ボンディングリボン又は半導体チップの電極に凹形状の溝を設けることによって接合界面に未接合部を形成する実施形態を示す図である。
【図８】第二実施形態に係るボンディング構造を示す側面図である。
【図９】第二実施形態に係るボンディング構造を示す側面図である。
【図１０】第二実施形態に係るボンディング構造を示す平面図である。
【図１１】ボンディング構造の接合部分の分割数を変更した場合の熱ひずみの緩和効果を示すグラフであり、横軸は冷熱サイクル数、縦軸は接合幅を示す。
【図１２】ボンディング構造の接合部分の分割割合を変更した場合の熱ひずみの緩和効果を示すグラフであり、横軸は冷熱サイクル数、縦軸は接合幅を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下では、図１〜図６を参照して、本発明に係るボンディング構造の第一実施形態であるボンディング構造１について説明する。ボンディング構造１は、ボンディングリボン１０を半導体チップ２０に接合（ボンディング）することによって得られる接合構造である。
【００１５】
図１に示すように、ボンディング構造１は、ボンディングリボン１０、半導体チップ２０等を含む。
ボンディングリボン１０は、アルミニウム、銅、金等からなる導電性の金属線であり、幅広の扁平断面を有する接合部材である。また、ボンディングリボン１０は、十分な断面積を有し、大容量の電流を導電可能に構成されている。
半導体チップ２０は、例えばシリコンを主成分とし、パワーモジュールを構成する部材であり、表面にアルミニウム、銅等の導電性の金属からなる電極２１を有する被接合部材である。電極２１は、半導体チップ２０の外部との電気的な接続に用いられる。また、半導体チップ２０は、ボンディングリボン１０により、半導体チップ２０が実装される回路基板（不図示）等と電気的に接続され、この回路基板、半導体チップ２０等を含む半導体装置（例えばインバータ）が構成される。
【００１６】
ボンディングリボン１０は、回転式のボビン１１（図４参照）に巻回された状態でボンディングツール３０の近傍に配置されており、ボビン１１からガイド等を介して延出されて半導体チップ２０の電極２１との接合箇所に適宜供給される。
ボンディングツール３０は、超音波式のツールであり、接合構造（本実施形態の場合、ボンディングリボン１０と半導体チップ２０との両方）に超音波振動と荷重とを付加することにより、これら接合構造の接合表面を浄化しつつ接合する。
ボンディング構造１は、ボンディングツール３０を用いて、ボンディングリボン１０と半導体チップ２０の電極２１とを圧着して接合することによって得られる構造体である。
【００１７】
図２に示すように、ボンディングリボン１０における、半導体チップ２０との接合部１５（つまり、ボンディングツール３０により超音波振動及び荷重が付加される部位）は、ボンディングリボン１０の幅方向を長手方向とし、ボンディングリボン１０のボビン１１からの延出方向を短手方向とする略長方形状に形成されている。また、接合部１５において、ボンディングリボン１０と電極２１とが互いに接触する境界面である接合界面４０は、平面視において接合部１５と略同形状に形成されており、接合界面４０の長手方向と接合部１５の長手方向とが一致している。
なお、接合部１５及び接合界面４０の長手方向の一辺の長さは、短手方向の一辺の長さに比べて十分に長いものとする。また、接合部１５及び接合界面４０における接合状態は、所望の接合状態が実現されているものとし、既知のものとする。
【００１８】
図３に示すように、ボンディングリボン１０の接合側表面の所定箇所には、接合阻害物質４１がボンディングリボン１０の延出方向に沿って設けられている。つまり、ボンディングリボン１０には、ボビン１１（図４参照）の巻回方向全域に亘って、接合阻害物質４１が帯状に設けられている。接合阻害物質４１は、例えばボンディングリボン１０の幅方向略中央部に配置されている。
接合阻害物質４１は、ボンディングリボン１０と半導体チップ２０の電極２１との接合時に、ボンディングツール３０による超音波振動及び荷重が付加されても、ボンディングリボン１０の表面から剥離せずにボンディングリボン１０と電極２１との間の所定位置に介在する有機物又は酸化物等の物質からなり、例えば炭素成分を多く含む油性インクが挙げられる。
ボンディングリボン１０の接合側表面に塗布等により設けられた接合阻害物質４１により、ボンディングツール３０を用いたボンディング時に、ボンディングリボン１０と半導体チップ２０の電極２１との接合界面４０の短手方向であるボンディングリボン１０の延出方向に沿って未接合部４５が形成される。この未接合部４５は、接合界面４０の短手方向一側端部から他側端部に亘って形成されている。つまり、接合界面４０は、接合阻害物質４１により形成される未接合部４５によって長手方向に向けて複数に分断されている状態となる。
【００１９】
以上のように構成されるボンディング構造１では、ボンディングリボン１０に大電流が断続的に流れるため、ボンディング構造１を含む半導体装置の使用時には大きな加熱・冷却が付加される冷熱サイクルが繰り返されることとなる。また、ボンディング構造１は、アルミニウム等の金属導線からなるボンディングリボン１０を、線膨張係数が大きく異なる材質であるシリコンを主成分とする半導体チップ２０に接合しているため、前記冷熱サイクル時には、ボンディングリボン１０と半導体チップ２０との間に熱ひずみが発生し易い。
しかしながら、ボンディング構造１において、ボンディングリボン１０と半導体チップ２０の電極２１との接合部１５の境界面である接合界面４０に、接合界面４０の長手方向に直交する方向に沿って未接合部４５を形成することにより、接合界面４０を長手方向に複数に分割し、接合幅を小さくすることができる。
これにより、ボンディング構造１に冷熱サイクル（より厳密には、ボンディング構造１を含む半導体装置の冷熱サイクル）が加えられた時の熱ひずみを低減できる。特に、接合幅が最大となる冷熱サイクルの初期における熱ひずみが大幅に緩和されるので、接合界面４０の劣化速度を遅くでき、接合面積の縮小速度を遅くできる。従って、ボンディング構造１の冷熱サイクルに対する寿命を向上できる。
【００２０】
接合阻害物質４１のボンディングリボン１０への塗布は、例えば図４に示すように、製造直後のボンディングリボン１０を回転式のボビン１１に巻回して巻き取る際に、ボンディングリボン１０の表面一側（半導体チップ２０への接合側）の幅方向の適宜箇所に接合阻害物質４１を連続的に滴下（塗布）することによって実現可能である。このように、ボンディングツール３０によるボンディング前に、ボンディングリボン１０に接合阻害物質４１を塗布しておくことによって、ボンディング時に接合阻害物質４１を別途塗布する作業が不要となるので、簡単かつ確実に生産ラインに組み込むことが可能となる。
【００２１】
以上の第一実施形態に係るボンディング構造１では、接合阻害物質４１を被接合部材の一側であるボンディングリボン１０に設ける形態について説明したが、接合阻害物質４１の設置形態はこれに限定されず、接合阻害物質４１は半導体チップ２０の電極２１側に設ける構成としても良く、ボンディングツール３０によるボンディング後に被接合部材の接合界面４０を長手方向に向けて複数に分割可能であれば適用可能である。
例えば、接合阻害物質４１を半導体チップ２０の電極２１に設ける構成としても良い。
この場合、半導体チップ２０の電極２１上への接合阻害物質４１の形成は、電極２１上に有機物や酸化物を塗布したり、電極２１表面にエッチングなどで凹溝を形成したりすることで実現することができる。
また、図５に示すように、半導体チップ２０を多層のプリント基板（回路基板）にて構成した場合には、半導体チップ２０を製造する際に、半導体チップ２０表面の電極２１以外の部分をポリミド樹脂などにより被覆する被覆樹脂層２２を電極２１の一部に延出して被覆樹脂層２２を接合阻害物質４１として電極２１に設ける、又は電極２１と被覆樹脂層２２との間に接合阻害物質４１を介設する等により実現可能である。このように配置される接合阻害物質４１によっても、接合界面４０に未接合部４５を設けることができる。
このように、ボンディング前に被接合部材である半導体チップ２０の電極２１に接合阻害物質４１を塗布する等して形成しておくことによって、ボンディング時に接合阻害物質４１を別途塗布する作業が不要となるので、簡単かつ確実に生産ラインに組み込むことが可能となる。
【００２２】
また、図６に示すように、ボンディングツール３０の先端面を凹形状に形成し、ボンディングツール３０によるボンディング時に、ボンディングリボン１０と半導体チップ２０の電極２１との接触面において超音波振動及び荷重が伝達し難い部位を設けることによって、接合界面４０に未接合部４５を形成する構成としても良い。
この場合、ボンディングツール３０の先端面（ボンディングリボン１０との接触面）に、接合部１５（接合界面４０）の長手方向に直交するように（言い換えれば、ボンディングツール３０の短手方向に沿って）凹形状の溝３５を形成することにより実現可能である。このように構成されるボンディングツール３０を用いてボンディングすることによっても、接合界面４０に未接合部４５を設けることができる。
このように、被接合部材であるボンディングリボン１０又は半導体チップ２０の電極２１に接合阻害物質４１をボンディング前に塗布する必要がないため、より簡単に生産ラインに組み込むことが可能となる。
【００２３】
その他、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、ボンディングリボン１０の接合側表面に凹形状の溝１９、又は電極２１の表面に凹形状の溝２９を設け、これらの溝１９（又は溝２９）によって接合界面４０に未接合部４５を形成する構成としても良い。
【００２４】
以下では、図８〜図１０を参照して、本発明のボンディング構造の第二実施形態であるボンディング構造２について説明する。ボンディング構造２は、ボンディングリボン５０を半導体チップ２０の電極２１に接合（ボンディング）することによって得られる接合構造である。
ボンディングリボン５０は、アルミニウム、銅、金等の導電性の金属線であり、幅広の扁平断面を有する接合部材である。また、ボンディングリボン５０は、十分な断面積を有し、大容量の電流を導電可能に構成されている。
ボンディングリボン５０は、回転式のボビン（不図示）に巻回された状態でボンディングツール６０の近傍に配置されており、前記ボビンからガイド等を介して延出されて半導体チップ２０の電極２１との接合箇所に適宜供給される。
【００２５】
図８及び図９に示すように、ボンディング構造２は、ボンディングツール６０を用いて、ボンディングリボン５０を半導体チップ２０の電極２１に接合することによって得られる構造体である。ボンディングツール６０は、超音波式のツールであり、接合構造（本実施形態の場合、ボンディングリボン５０と半導体チップ２０の両方）に超音波振動と荷重とを付加することにより、これら接合構造の接合表面を浄化しつつ接合するものである。
【００２６】
図１０に示すように、ボンディングリボン５０における、半導体チップ２０の電極２１との接合部５５（つまり、ボンディングツール６０により超音波振動及び荷重が付加される部位）は、ボンディングリボン５０の幅方向を短手方向とし、ボンディングリボン５０の延出方向を長手方向とする略長方形状に形成されている。また、ボンディングリボン５０の幅は半導体チップ２０の電極２１の幅より小さく設定されており、接合部５５は、ボンディングリボン５０の幅方向両端部から所定の間隔を置いた状態で形成されている。
【００２７】
図９及び図１０に示すように、ボンディングリボン５０の接合部５５の表面（より厳密には、接合部５５の接合側表面の反対側表面）には、長手方向と直交する方向（ボンディングリボン５０の幅方向）に向けてスリット５６が形成されている。スリット５６は、ボンディングリボン５０の厚み方向に向けて設けられる切り欠きであり、接合部５５の長手方向中途部に形成されている。
スリット５６は、ボンディングリボン５０の厚みが、スリット５６が設けられていない部位の厚みに対して十分に薄くなる深さにまで形成されている。
このように、接合部５５は、スリット５６によって長手方向に向けて熱的に複数に分断されている状態、つまり、スリット５６が形成されている部位では、ボンディングリボン５０にかかる熱応力が非常に小さい状態となり、接合部５５全体での熱応力の集中を緩和できる。
【００２８】
以上のように、ボンディング構造２において、ボンディングリボン５０の接合部５５に、接合部５５の長手方向に直交する方向に向けたスリット５６を設けることにより、ボンディングリボン５０のスリット５６が設けられた部位の厚みが薄くなるため、接合部５５におけるスリット５６側方の部位に発生する熱応力を分散させることができる。
これにより、ボンディング構造２に冷熱サイクル（より厳密には、ボンディング構造２を含む半導体装置の加熱・冷却の冷熱サイクル）が加えられた時の熱ひずみを低減できる。特に、接合幅が最大となる冷熱サイクルの初期における熱ひずみが大幅に緩和されるので、接合部５５の接合界面の劣化速度を遅くでき、接合部５５における接合面積の縮小速度を遅くできる。従って、ボンディング構造２の冷熱サイクルに対する寿命を向上できる。
【００２９】
ボンディングリボン５０の接合部５５へのスリット５６の付与は、図８に示すように、ボンディングツール６０の先端面（ボンディングリボン５０との接触面）に、接合部５５の長手方向と直交するように凸形状の突起部６５を形成することにより実現可能である。このように、ボンディングツール６０によるボンディング時に、ボンディングリボン５０の接合部５５にスリット５６を形成することによって、ボンディング後にスリット５６を別途形成する作業が不要となるので、簡単かつ確実に生産ラインに組み込むことが可能となる。
また、接合部５５は、ボンディングリボン５０の両端部から所定の間隔を空けて形成されているため、スリット５６が形成された後も十分に電気的・物理的に接続された状態を維持できる構造である。
また、ボンディングリボン５０の接合部５５へのスリット５６の付与は、ボンディング後にカッタ等で切り込みを入れること、又は予めボンディングリボン５０に切れ込みを入れておくこと等によっても実現可能である。
【００３０】
以下では、図１１及び図１２を参照して、第一実施形態に係るボンディング構造１において、接合界面４０が接合阻害物質４１によって長手方向に分割される際の分割数による熱ひずみの緩和の効果、及び接合界面４０が接合阻害物質４１によって二分割される際の分割割合による熱ひずみの緩和の効果について説明する。
図１１は、所定のボンディング条件下で、接合部１５の接合界面４０を等間隔に分割した場合（分割なし、二分割、三分割）の冷熱サイクル試験結果を示すグラフであり、図１２は、所定のボンディング条件下で、接合部１５の接合界面４０の分割位置を変更した場合（１：１、３：１、９：１）の冷熱サイクル試験結果を示すグラフである。
なお、ボンディング構造１におけるボンディング条件、つまりボンディングツール３０の使用条件は、荷重：１５００〜３０００ｇｆ、超音波パワー：１００〜４００V、接合時間：５０〜６００ｍｓであり、ボンディング後の接合部１５の長手方向の接合幅は１．１ｍｍとする。図１１及び図１２において、横軸は冷熱サイクル数（回）、縦軸は接合幅（ｍｍ）を示しており、分割されている場合は合計の接合幅（ｍｍ）を示している。
【００３１】
図１１に示すように、二分割及び三分割した場合は、分割なしの場合より、冷熱サイクルを繰り返した後の接合幅が大きく残っていることが分かる。これは、接合幅長手方向に分割することにより、接合部１５に発生する熱ひずみを緩和できたためである。
また、二分割の場合より三分割の場合の方が、残存接合幅は大きくなっている。これは、接合幅長手方向により多く分割した場合の方が、残存接合幅が大きくなることを示している。なお、分割数を多くする場合は、ボンディング後の接合強度との調整等が適宜必要となる。
【００３２】
このように、接合部１５の接合界面４０の分割数は、二分割でも従来の分割なしに比べて十分な効果が認められるが、所望の冷熱サイクル数及び所望の接合幅に応じて適宜分割数を決定しても良い。例えば、図１１によれば、冷熱サイクルを４０００回繰り返したときに、０．６ｍｍ以上の残存接合幅が必要な場合は、三分割を選択することで達成可能である。
【００３３】
図１２に示すように、１：１、３：１、９：１に分割した場合は、分割なしの場合より、熱サイクルを繰り返した後の接合幅が大きく残っていることが分かる。これは、接合幅長手方向に分割することにより、接合部１５に発生する熱ひずみを緩和できたためである。
また、分割割合は、９：１より３：１の方が残存接合幅は大きくなっており、３：１より１：１の方が残存接合幅は大きくなっている。これは、分割後の長手方向接合幅をより小さくした場合の方が、残存接合幅が大きくなることを示している。つまり、分割割合の最良の形態としては、１：１の等間隔に分割することであり、接合部１５の接合界面４０を１：１に分割することが好ましい。
【００３４】
このように、接合部１５の接合界面４０の分割割合は、従来の分割なしに比べて９：１でも十分な効果が認められるが、所望の冷熱サイクル数及び所望の接合幅に応じて適宜分割数を決定しても良い。例えば、図１２によれば、冷熱サイクルを４０００回繰り返したときに、０．４ｍｍ以上の残存接合幅が必要な場合は、１：１又は３：１を選択することで達成可能である。
【００３５】
なお、本発明に係る金属導線の一実施形態として、幅広の扁平断面を有するボンディングリボン１０・５０を採用しているが、これに限定されず、接合幅が大きく、その接合幅一方向が長手方向となるものであれば良い。例えば、円形断面を有する太径（直径０．３ｍｍ以上）のボンディングワイヤ等でも適用可能である。
また、本発明に係る被接合部材の一実施形態として、半導体チップ２０を採用しているが、これに限定されず、上記金属導線と接合される部材であって、その接合面の接合幅が大きく、その接合幅の一方向が長手方向となり、上記金属導線と線膨張係数が異なる部材であれば良い。例えば、半導体チップが実装される回路基板や、前記回路基板が収容される半導体装置のハウジングに設けられた外部端子等でも適用可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１、２      ボンディング構造
１０、５０  ボンディングリボン（金属導線）
１５、５５  接合部
２０        半導体チップ（被接合部材）
３０、６０  ボンディングツール
４０        接合界面
４１        接合阻害物質
４５        未接合部
５６        スリット
【図１】
2010171091.tif 000003
【図２】
2010171091.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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