(57)【要約】【課題】  配線部材の断面積が大きくても接合を適切に行えて大電流、高電圧化に対処できる半導体素子の接合方法を提供する。【解決手段】  配線部材に対し、荷重を加えない状態で超音波パワーを逓増しつつ加え（第１の印加工程I）、次に、荷重及び超音波パワーを共に逓増しつつ加え（第２の印加工程II）、続いて、所定の大きさの荷重及び超音波パワーを加えて（第３の印加工程III）、配線部材を半導体素子の電極に接合する。工程I、II及びIIIの実行により、配線部材の接合をドーナツ接合を回避して達成できる。このため、初期接合品質及び耐久性能を向上できる。従来技術において発生するドーナツ接合を惹起する大きな超音波パワー及び荷重を用いることなく配線部材の接合を行えるので、半導体素子に対するダメージを抑制でき、その破壊を防止できる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子のボンディングパッド表面の所定領域に配線部材を接合する半導体素子の接合方法であって、
前記配線部材を前記ボンディングパッドの所定領域内に当接させ、前記配線部材上に配置したボンディングツールから前記配線部材に対して、超音波パワーを逓増させるように印加する第１の印加工程と、
前記第１の印加工程の後に、前記ボンディングツールから前記配線部材に荷重および超音波パワーを共に逓増するように印加する第２の印加工程と、
前記第２の印加工程の後に、前記ボンディングツールから前記配線部材に対して超音波パワーおよび荷重を、それぞれ一定の大きさで所定時間印加する第３の印加工程と、を備え、
前記第１の工程において、配線部材を所定領域内に当接させる当接位置が前記所定領域内の略中央部分であり、
第２の印加工程および第３の印加工程において、前記配線部材がボンディングパッドに対して前記当接位置から前記所定領域の外周方向に向かって接合されることを特徴とする半導体素子の接合方法。
【請求項２】
第１の印加工程において、前記配線部材が所定領域内の内周方向に向かって表面汚れおよび酸化物を排除するように接合し、
第２および第３の印加工程において、外周方向に接合面積を外周方向に増加させることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ用半導体モジュール等に備えられる半導体素子の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ等に用いられる半導体モジュールにはＩＧＢＴ、ダイオード等の半導体素子が搭載されており、その半導体素子に対する配線（例えば半導体素子の電極と他の電気回路部との接続）は通常ワイヤをボンディングすることにより行われている。
そして、半導体モジュールは、近時、大電流、高電圧化したものが用いられるようになってきており、その大電流化に伴いワイヤ（配線）本数の増加を招いている。例えば６００Ａクラスの半導体モジュールで１０００本程度のワイヤを要するようになっている。
上述した半導体モジュールでは、ワイヤとしては、３００〜５００μｍφの太さの断面円形のアルミ材のワイヤ（ボンディングワイヤ）が用いられることが多い（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１４００７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、半導体素子にワイヤを接合する場合、上記大電流化に対処し得るように、ワイヤを太くし、且つその本数を少なくすることが生産性の向上などの観点から要望されている。
しかしながら、上述した従来技術では、断面円形のボンディングワイヤとしては、６００μｍφの太さが、供給上の限界となっており、上記要望に応え得るものになっていないというのが実情であった。
【０００４】
また、特許文献１の技術は、ワイヤのボンディングについて超音波技術を利用して行うが、一見接合しているかのように見えても、接合領域の外周側部分のみが接合する、いわゆるドーナツ接合になりやすく、初期接合品質、耐久性能が劣り、改善が望まれている。
さらに、特許文献１の技術においては、仮に大電流に対応すべくワイヤ（配線）を太くした場合、良好な接合を確保するためには超音波パワー及び荷重を大きくする必要がある。しかし、超音波パワー及び荷重を大きくすると、脆性材料であるSi半導体素子へのダメージが大きくなることから、何等の措置も施さないと素子破壊等が進むという問題が発生する虞がある。
【０００５】
特に、超音波接合に際し、大きな荷重及び大きな超音波パワーを一度に印加すると、接合領域の外周側が先行して接合し、内側部分については接合が行われずに残されてしまい、ドーナツ状に接合される（すなわち上記ドーナツ接合を招く）ことになってしまう。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、配線部材の断面積が大きくても接合を適切に行えて大電流、高電圧化に対処できる半導体素子の接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載の発明は、半導体素子のボンディングパッド表面の所定領域に配線部材を接合する半導体素子の接合方法であって、前記配線部材を前記ボンディングパッドの所定領域内に当接させ、前記配線部材上に配置したボンディングツールから前記配線部材に対して、超音波パワーを逓増させるように印加する第１の印加工程と、前記第１の印加工程の後に、前記ボンディングツールから前記配線部材に荷重および超音波パワーを共に逓増するように印加する第２の印加工程と、前記第２の印加工程の後に、前記ボンディングツールから前記配線部材に対して超音波パワーおよび荷重を、それぞれ一定の大きさで所定時間印加する第３の印加工程と、を備え、前記第１の工程において、配線部材を所定領域内に当接させる当接位置が前記所定領域内の略中央部分であり、第２の印加工程および第３の印加工程において、前記配線部材がボンディングパッドに対して前記当接位置から前記所定領域の外周方向に向かって接合されることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体素子の接合方法において、第１の印加工程において、前記配線部材が所定領域内の内周方向に向かって表面汚れおよび酸化物を排除するように接合し、第２および第３の印加工程において、外周方向に接合面積を外周方向に増加させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１及び２記載の発明によれば、配線部材がボンディングパッドに対して当接位置から所定領域の外周方向に向かって接合されるので、これにより半導体素子のボンディングパッドに対する配線部材の接合をドーナツ接合の発生を回避して達成できる。このため、初期接合品質及び耐久性能を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の第１実施の形態に係る半導体素子の接合方法を図１〜図７に基づいて説明する。この接合方法は半導体素子接合装置１を用いて実施される。
図１〜図３において、半導体素子接合装置１は、ケーシング２を上下動させる上下移動機構３と、この上下移動機構３を水平方向（Ｘ軸及びＹ軸方向）に移動するＸＹテーブル４と、を有している。ケーシング２には、超音波発振器５が備えられている。超音波発振器５は、超音波振動する超音波ホーン６を備えている。本実施の形態では、超音波発振器５は８０ＫＨｚの超音波を出力し超音波ホーン６が８０ＫＨｚで振動するようにしている。超音波ホーン６は、先端側がケーシング２外に突出しており、当該先端側には、ボンディングツール７が軸材８を介して取付けられている。ボンディングツール７は、図３（ａ）に示すように、先端側がくさび状に形成され、その先端面（ボンディング面）９は、図３（ｂ）に示すように、長方形とされている。
【００１０】
半導体素子接合装置１は、図１及び図２に示すように、半導体素子１０の電極１１（ボンディングパッド）に断面が矩形でＡｌ製のテープ状の配線部材（以下、テープ状配線部材という。）１２を接合するようになっている。この場合、テープ状配線部材１２は、厚さＴの寸法が０．２ｍｍ、幅Ｗの寸法が２ｍｍとされている。
半導体素子接合装置１は、戴置台１３に半導体素子１０を戴置し、この状態で半導体素子１０の電極１１にテープ状配線部材１２を接合するようにしている。
【００１１】
上述したように構成された半導体素子接合装置１では、半導体素子１０の電極１１にテープ状配線部材１２を接合するのに際し、まず、ＸＹテーブル４の作動により、ボンディングツール７を半導体素子１０の電極１１上でテープ状配線部材１２に対向させて配置する。
【００１２】
続いて、上下移動機構３を作動してボンディングツール７を下降させテープ状配線部材１２を半導体素子１０の電極１１に当接させ、この当接状態で超音波発振器５を作動させてボンディングツール７を超音波振動させ、テープ状配線部材１２に超音波パワーを加え、この際、テープ状配線部材１２に加える超音波振動の振幅値は、低振幅とされ、かつ超音波パワー（超音波出力）は、図４（Ｂ）に示すように、逓増するようにされている（第１の印加工程I）。この第１の印加工程Iは、本実施の形態では超音波発振器５の作動時点を起点（０ｍｓ）として時刻１０ｍｓまで実施される。図４（Ｂ）において、縦軸の超音波出力は、換算値（無単位）で示している。
【００１３】
次に、上下移動機構３を作動してボンディングツール７を下降させてテープ状配線部材１２ひいては半導体素子１０の電極１１に荷重を加えると共に、テープ状配線部材１２に超音波パワーを加え、この際、テープ状配線部材１２に加える荷重及び超音波パワーは共に、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、その値が逓増するようにしている（第２の印加工程II）。この第２の印加工程IIは、本実施の形態では時刻４５ｍｓまで実施される。
【００１４】
第２の印加工程IIに続いて、テープ状配線部材１２に加える荷重及び超音波パワーについて、その値の逓増を停止し、ボンディングツール７からテープ状配線部材１２に対し所定の大きさの荷重及び超音波パワーを加えるようにする（第３の印加工程III）。この第３の印加工程IIIは、本実施の形態では時刻１５５ｍｓまで実施され、時刻１５５ｍｓが経過すると、テープ状配線部材１２に対する荷重及び超音波パワーの印加を停止し、半導体素子１０の電極１１へのテープ状配線部材１２の接合作業を終了する。
【００１５】
半導体素子１０の電極１１へのテープ状配線部材１２の接合は、上述したように、第１の印加工程I、第２の印加工程II及び第３の印加工程IIIの３段階の工程で行われる。そして、第１の印加工程Iでは、半導体素子１０の電極１１及びテープ状配線部材１２間に荷重が加わらず、両者間に値の小さい超音波パワーが加わることから、両者の当接部分から汚れ（有機物及び酸化物など）が除去される。このため、半導体素子１０の電極１１及びテープ状配線部材１２を接合する上で、良好な接合環境が確保される。
【００１６】
第２の印加工程IIでは、テープ状配線部材１２に加わる荷重及び超音波パワー（超音波出力）は、時間経過に伴い逓増するようにされているので、半導体素子１０の電極１１及びテープ状配線部材１２の実際の接合は、半導体素子１０の電極１１とテープ状配線部材１２との接合領域の略中心部分のような所定のポイント（起点）から、外周に向かって徐徐に広がるようにして行われる。すなわち、半導体素子１０の電極１１及びテープ状配線部材１２の実際に接合された部分（接合部Ｂ）の面積〔以下、接合面積という。〕は、徐徐に広くなっていく。
【００１７】
第３の印加工程IIIでは、ボンディングツール７からテープ状配線部材１２に対し所定の大きさの荷重及び超音波パワーを加えるようにする。このため、半導体素子１０の電極１１及びテープ状配線部材１２の実際の接合は、さらに外周に向かって広がる（接合面積が大きくなっていく）ようになる。
そして、上述したように第１の印加工程I、第２の印加工程II及び第３の印加工程IIIを実行することにより、接合領域の中心側（略中央部分）から外周側に向かって接合部Ｂを徐徐に拡大させることが可能であり、いわゆるドーナツ接合を回避して、半導体素子１０の電極１１及びテープ状配線部材１２を接合できる。このため、初期接合品質が向上し、かつ耐久性能を向上することができる。また、従来技術において発生するドーナツ接合を惹起する大きな超音波パワー及び荷重を用いることなく半導体素子１０の電極１１及びテープ状配線部材１２の接合を行えるので、その分、半導体素子１０に対するダメージを抑制でき、半導体素子１０の破壊を防止できる。
【００１８】
また、テープ状配線部材１２は厚さＴの寸法が０．２ｍｍ、幅Ｗの寸法が２ｍｍであり、その断面積（０．４ｍｍ2）が大きくなっていることから、大電流、高電圧化に確実に対処できると共に、大電流、高電圧化に対し従来技術で必要とされたワイヤの多数本化が抑制され、その分、生産上、有利になる。例えば断面円形のワイヤを用いて接合を行う従来技術では、用いることができるワイヤとしては直径が０．６ｍｍφ（ひいては断面積が約０．２８ｍｍ2）が限度であり、その分、大電流、高電圧化に制約を受けたものになっているが、本実施の形態では、テープ状配線部材１２の断面積（０．４ｍｍ2）が大きく、大電流、高電圧化を図ることができる。
【００１９】
第２の印加工程II及び第３の印加工程IIIにおいて接合部Ｂが外周に向かって徐徐に広がっていくこと（接合部Ｂの外周方向拡大化）について、超音波探傷装置１５を用いた撮像を行って検証を行った。この検証結果を図５ないし図７に基づいて、説明する。
この検証では、図５に示すように、半導体素子１０の電極１１に代えて半導体素子１０に備えられる第１、第２ボンディングパッド１６，１７を用いている。また、テープ状配線部材１２は、湾曲部１８を有し、湾曲部１８の両側に第１、第２ボンディングパッド１６，１７に接合する配線部材第１、第２接続部１９，２０を備えている。
この検証では、第１ボンディングパッド１６及び配線部材第１接続部１９を対象として、１回目（１ｓｔ）の接合状態（この場合の接合対象箇所を、１回目接合対象箇所２１という。）の調査を行い、第２ボンディングパッド１７及び配線部材第２接続部２０を対象として、２回目（２ｎｄ）の接合状態（この場合の接合対象箇所を、２回目接合対象箇所２２という。）の調査を行った。
【００２０】
超音波探傷装置１５を用いた撮像では、図７（ａ）に示すように、超音波探傷装置１５の超音波出力部１５ａから超音波をテープ状配線部材１２及び半導体素子１０の各接合対象箇所（１回目接合対象箇所２１及び２回目接合対象箇所２２）に照射し、図７（ｂ）に示すように、その反射波の振幅の大きさに基づいて示される超音波探傷データＤ１（暗い部分が振幅が小さく、明るい部分が振幅が大きくなっている。）を得て（図６参照）、接合部Ｂを把握するようにしている。
そして、前記接合部Ｂの面積は、断面観察結果に基づいて定められる閾値を用いて得られる超音波探傷データＤ１についての２値化データＤ２〔図７（ｃ）に示す。〕から得るようにしている。
【００２１】
１回目、２回目の接合状態の調査では、第１の印加工程Iの終了時点（時刻１０ｍｓ）、第２の印加工程IIの終了時点（時刻４５ｍｓ）及び第３の印加工程IIIの終了時点（時刻１５５ｍｓ）、第２の印加工程IIの途中の時刻２０ｍｓ、時刻３０ｍｓ並びに第３の印加工程IIIの途中の時刻１００ｍｓにおいて、図６の表の第２、第３欄に示す超音波探傷データＤ１を求めた。
【００２２】
そして、図６の表の第２、第３欄に示すように、第１の印加工程I（時刻１０ｍｓ）では、実際の接合は行われない一方、第２の印加工程IIでは、時刻２０ｍｓから時刻３０ｍｓの間で接合面積が増加し、さらに第３の印加工程IIIに進むことに伴い、前記接合面積がさらに拡大することを検証することができた。
また、図６の表の第２、第３欄における特に時刻２０ｍｓ及び時刻３０ｍｓの超音波探傷データＤ１を比較して把握できるように、接合部Ｂが外周部に向かって拡大するものになっており、いわゆるドーナツ接合が回避されている。
【００２３】
本実施の形態では、半導体素子１０の電極１１及びＡｌ製のテープ状配線部材１２を対象にして、前記第１の印加工程I、第２の印加工程II及び第３の印加工程IIIの３工程を実行することにより、接合部Ｂの外周方向拡大化を図る場合を例にしているが、本願発明者等は、上記３工程を実行することにより、接合部Ｂの外周方向拡大化を図ることができることを、他の部材を対象にして検証した。
この検証例を図８に基づいて以下に説明する。
【００２４】
すなわち、本願発明者等は、図８に示すように、半導体素子１０の電極１１に代わるＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ製のパッド３０上にＡｌ製のテープ状配線部材１２に代わるＡｕバンプ３１を載置し、両部材（Ａｕバンプ３１及びＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ製のパッド３０）に対して本実施の形態と同様に、接合領域３２の中心部３３を含む領域（初期接触部）３４でＡｕバンプ３１がパッド３０に当接した状態で第１の印加工程I〔図８（ａ）〕を実行し、これに続いて第２の印加工程II〔図８（ｂ）〕及び第３の印加工程III〔図８（ｃ）〕の処理を実行した。この結果、図８（ａ）〜（ｃ）の順に接合部Ｂが中心部３３から外周部３５に向けて拡大し、いわゆるドーナツ接合を回避できるという結果（接合部Ｂの外周方向拡大化）を得ることができた。
【００２５】
また、上記第１実施の形態において、接合部Ｂの面積（接合面積）を考慮して、第２の印加工程II及び第３の印加工程IIIを進行させるようにしてもよい。例えば、図９に示すように、最終（第３の印加工程IIIの終了時点）の接合面積（約１ｍｍ2）の５０％（約０．５ｍｍ2）以上の面積の接合部Ｂを第２の印加工程IIで得るようにして、工程II及びIIIを進行させるようにしてもよい（第２実施の形態）。
この第２実施の形態によれば、次のように生産性の向上を図ることができる。すなわち、接合部Ｂの面積（接合面積）とその接合部Ｂの耐久劣化とは、図１０に示すような関係があり、最終の接合面積の５０％以上の面積の接合部Ｂが第２の印加工程IIで得られることにより、通常に用いられる際の耐久性が確保される。このため、第２の印加工程IIに続く第３の印加工程IIIの時間短縮化を図ることができ、その分、生産性の向上を図ることができる。
【００２６】
上記各実施の形態では、テープ状配線部材１２は、断面形状が矩形で、厚さＴの寸法が０．２ｍｍ、幅Ｗの寸法が２ｍｍとされている場合を例にしたが、これに限らず、他の寸法に設定してもよい。また、上記実施の形態では、テープ状配線部材１２について、その断面形状が矩形となる場合を例にしたが、本発明はこれに限られず、断面楕円形など他の形状の配線部材を用いてもよい。
また、上記実施の形態では、テープ状配線部材１２をＡｌ製とした場合を例にしたが、これに限らず、Ａｕ，Ｃｕ製など他の素材の配線部材を用いてもよい。
上記実施の形態では、超音波発振器５は８０ＫＨｚの超音波を出力する場合を例にしたが、本発明はこれに限らず他の周波数（例えば８０〜１２０ＫＨｚ）の超音波を出力するように構成してもよい。
【００２７】
上記実施の形態では、第１の印加工程I、第２の印加工程II及び第３の印加工程IIIについて、それぞれ超音波発振時点から、１０ｍｓ、４５ｍｓ及び１５５ｍｓ後にそれぞれ終了する場合を例にしたが、本発明はこれに限らず、他の時間設定としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る半導体素子の接合方法が用いられる半導体素子接合装置を模式的に示す図である。
【図２】図１のボンディングツール、テープ状配線部材及び半導体素子の電極を模式的に示す図である。
【図３】図１のボンディングツールを示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）はそのボンディング面を示す拡大図である。
【図４】本実施の形態の各工程を時間系列で示し、（Ａ）は各工程における荷重と時間の対応関係を示す図であり、（Ｂ）は各工程における超音波出力（超音波パワー）と時間の対応関係を示す図である。
【図５】接合部Ｂの外周方向拡大化についての検証に用いるテープ状配線部材及びボンディングパッドとを模式的に示す図である。
【図６】前記検証結果を、表形式で示す図である。
【図７】前記検証に際し用いられる超音波探傷技術を示し、（ａ）は超音波探傷装置を模式的に示す図、（ｂ）は超音波探傷装置で得られる超音波探傷データの一例を示す図、（ｃ）は超音波探傷データから得られる２値化データを示す図である。
【図８】第１実施の形態と同等工程により、接合部の広がりが第１実施の形態と同様に進行することを示す検証例を説明するための図である。
【図９】本発明の第２実施の形態を、図４に対応して示す図である。
【図１０】接合部の面積とその接合部の耐久劣化との対応関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
７…ボンディングツール、１０…半導体素子、１１…電極（ボンディングパッド）、１２…テープ状配線部材、Ｂ…接合部、I…第１の印加工程、II…第２の印加工程、III…第３の印加工程。
【図１】
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【図２】
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【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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