(57)【要約】【課題】角断面のテープと半導体素子のパッドとの接合強度を安定的に高め、パワー半導体モジュールの性能及び信頼性の向上を図る。【解決手段】ボンディング装置１６は、押し当て面１８ａの幅が角断面のテープ１２の幅よりも狭いツール１８を用いて、角断面のアルミテープ１２のボンディングを行うものである。よって、角断面のアルミテープ１２の接合部には、意図的に、ツールの未押し当て部が形成される。又、ツールの未押し当ては、ツールの押し当ての前後で厚みが減少せず高剛性であることから、角断面のテープ幅の拡大阻止に効果的である。又、ツールの未押し当て部によってプル強度が確保されることから、接合部の、ツールを押し当てる部分については、極力厚みを減少させることにより、角断面のテープ１２とパッド１４との線膨張係数差に起因する、接合部の耐久性の低下が回避される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
角断面のテープを用いたパワー半導体モジュールの配線方法であって、先端押し当て面の幅が前記角断面のテープ幅よりも狭いツールを用いて、前記角断面のテープのボンディングを行うことを特徴とするパワー半導体モジュールの配線方法。
【請求項２】
角断面のテープの幅方向両端部にツールの未押し当て部が生じるように、前記角断面のテープに対し前記ツールの先端押し当て面を位置決めして、ボンディングを行うことを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュールの配線方法。
【請求項３】
前記ツールの先端押し当て面の幅が、前記テープ幅の１／２であることを特徴とする請求項１又は２記載のパワー半導体モジュールの配線方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項記載のパワー半導体モジュールの配線方法によってボンディングされてなるパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールの配線方法、パワー半導体モジュール、並びに、パワー半導体モジュールのボンディング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴモジュール等のパワー半導体モジュールは、大電流を通電する必要があることから、基板に配置された半導体素子と、バスバー（或いは基板）との間を電気接続する配線には、可能な限り断面積の大きなアルミワイヤを用いることが望まれる。しかしながら、アルミワイヤの直径がφ６００μｍ以上になると、曲げ剛性の増大によりループの形成が困難となることが、本発明者らによって確認されている。又、これより細いφ５００μｍ〜φ４００μｍのアルミワイヤであっても、アルミワイヤと半導体素子の電極との熱膨張差に起因して発生する熱応力をループ自身の撓み性で吸収しきれず、その熱応力がアルミワイヤと半導体素子の電極（パッド）との接合部に加わることとなる。したがって、冷熱負荷による接合面積の劣化曲線の傾きが、ワイヤボンドと比較して遥かに大きくなり、配線剥離を誘発し易いという問題がある。
このような、円形断面を有する従来のワイヤの問題を解決するため、図６に示されるように、半導体素子１０とバスバー（或いは基板）１１との間を電気接続する配線に、角断面のアルミテープ１２を使用することで、配線一本あたりの断面積拡大を図りつつ、冷熱負荷による接合面積の劣化曲線の傾きを小さくすることを可能としたボンディング技術が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−５４７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
さて、半導体素子１０のパッド１４に対し、角断面のアルミテープ１２をボンディングするためのツールは、従来の円形断面のワイヤ用のツールのごとく先端押し当て面がアーチ状とはなっておらず、角断面のアルミテープ１２に倣った平面状となっている。そして、ツールの平面状の先端押し当て面によって角断面のアルミテープ１２が押し潰されると、図７に示される接合部１２ａ、１２ｂ（ツールに押し潰される部分）は、テープ幅以上に広がることから、従来は、パッド１４の幅を、角断面のアルミテープ１２の幅以上に広く形成する必要があった。しかしながら、パッド１４と角断面のアルミテープ１２との位置にずれが生じたような場合には、半導体素子１０のパッド１４の幅を広く形成しても、図７に符号１２ａ’、１２ｂ’で示されるように、パッド１４から接合部がはみ出すおそれがあった。
又、角断面のアルミテープ１２とパッド１４（シリコン製）との線膨張差に起因する、接合部１２ａ、１２ｂの剥がれを防止するためには、接合部１２ａ、１２ｂの厚みを極力薄くすることが望ましい。しかしながら、図８に示されるように、角断面のアルミテープ１２の厚みが、接合部１２ｂ（１２ａ）において減少することにより、ネック部１２ｃのプル強度が低下し、熱負荷や振動による破断が発生し易くなることから、元の配線の厚みの１／２程度までしか接合部１２ｂ（１２ａ）を潰すことができないといった問題も指摘されている。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、角断面のテープを用いたボンディング技術において、角断面のテープと半導体素子のパッドとの接合強度を安定的に高め、パワー半導体モジュールの性能及び信頼性の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。又、各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではない。よって、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。
【０００７】
（１）角断面のテープを用いたパワー半導体モジュールの配線方法であって、先端押し当て面の幅が前記角断面のテープ幅よりも狭いツールを用いて、前記角断面のテープのボンディングを行うパワー半導体モジュールの配線方法（請求項１）。
本項に記載のパワー半導体モジュールの配線方法は、押し当て面の幅が角断面のテープ幅よりも狭いツールを用いて、角断面のテープのボンディングを行うことで、意図的に、ツールの未押し当て部を発生させる。この、ツールの未押し当て部は、厚みの減少が生じないことから（若しくは、接合部からの素材流入を受けて、若干厚みが増加する傾向にある。）必要な剛性が維持され、プル強度の低下防止に効果的である。又、ツールの未押し当て部によってプル強度が確保されることから、接合部の、ツールを押し当てる部分については、極力厚みを減少させることで、角断面のテープとパッドとの線膨張係数差に起因する、接合部の耐久性の低下を防ぐものである。
又、角断面のテープの幅に対してツール押し当て面の幅が狭いことから、半導体素子の実装の際に、許容範囲内の位置ずれが生じることにより角断面のテープに曲げが生じるような場合であっても、テープに対しツールの踏み外しが生じ難く、接合部の接合面積のばらつき防止に寄与するものとなる。加えて、テープ幅に占める接合部の幅の割合が小さいことから、半導体素子の実装傾きが生じた場合であっても、パッドに対する接合部の幅方向の高低差が比較的小さくなり、ツール押し当て時にパッドにかかる荷重差も幅方向で小さくなって、半導体素子に与えるダメージを軽減することが可能となる。
【０００８】
（２）上記（１）項において、角断面のテープの幅方向両端部にツールの未押し当て部が生じるように、前記角断面のテープに対し前記ツールの先端押し当て面を位置決めして、ンディングを行うパワー半導体モジュールの配線方法（請求子２）。
本項に記載のパワー半導体モジュールの配線方法は、角断面のテープの幅方向両端部に、ツールの未押し当て部が生じるが、このツールの未押し当て部は、ツールの押し当ての前後で厚みが減少せず高剛性であることから、角断面のテープ幅の拡大阻止に効果的である。よって、角断面のテープ幅と同等の幅に形成された半導体素子のパッドに対しボンディングを行っても、角断面のテープがパッドからはみ出すことがない。又、角断面のテープの幅方向両端部が高剛性となることから、プル強度の低下防止にも効果的である。
【０００９】
（３）上記（１）又は（２）項において、前記ツールの先端押し当て面の幅が、前記テープ幅の１／２であるパワー半導体モジュールの配線方法（請求項３）。
本項に記載のパワー半導体モジュールの配線方法は、ツールの先端押し当て面の幅が、テープ幅の１／２であることにより、上記（１）又は（２）項における作用を、最も効果的に発揮するものとなる。
なお、上記（１）から（３）項において、ツールの先端押し当て面の形状（幅と長さの関係）を正方形とすることが望ましいが、円形、楕円形、長円形としてもよい。
【００１０】
（４）上記（１）から（３）項記載のパワー半導体モジュールの配線方法によってボンディングされてなるパワー半導体モジュール（請求項４）。
本項に記載のパワー半導体モジュールは、押し当て面の幅が角断面のテープ幅よりも狭いツールを用いて、角断面のテープのボンディングを行うことで、意図的に、ツールの未押し当て部が形成された状態にある。この、ツールの未押し当て部は、厚みの減少が生じないことから必要な剛性が維持され、プル強度の低下防止に効果的である。又、ツールの未押し当て部によってプル強度が確保されることから、接合部の、ツールを押し当てる部分については、極力厚みを減少させることにより、角断面のテープとパッドとの線膨張係数差に起因する、接合部の耐久性の低下が回避される。
又、角断面のテープの幅に対してツール押し当て面の幅が狭いことから、半導体素子の実装の際に、許容範囲内の位置ずれが生じることにより角断面のテープに曲げが生じるような場合であっても、テープに対しツールの踏み外しが生じ難く、接合部の接合面積のばらつき防止に寄与するものとなる。加えて、テープ幅に占める接合部の幅の割合が小さいことから、半導体素子の実装傾きが生じた場合であっても、パッドに対する接合部の幅方向の高低差が比較的小さくなり、ツール押し当て時にパッドにかかる荷重差も幅方向で小さくなって、半導体素子に与えるダメージを軽減することが可能となる。
【００１１】
又、角断面のテープの幅方向両端部に形成されるツールの未押し当て部は、ツールの押し当ての前後で厚みが減少せず高剛性であることから、角断面のテープ幅の拡大阻止に効果的である。よって、本項に係るパワー半導体モジュールの、半導体素子のパッド幅は、角断面のテープ幅と同等の幅に形成され、なおかつ、角断面のテープ幅と同等の幅に形成された半導体素子のパッドに対し、ボンディングを行っても、角断面のテープがパッドからはみ出すことがない。又、角断面のテープの幅方向両端部が高剛性となることから、プル強度の低下防止にも効果的である。
又、ツールの先端押し当て面の幅が、テープ幅の１／２であることにより、上記角作用を、最も効果的に発揮するものとなる。
なお、ツールの先端押し当て面の形状は正方形とすることが望ましいが、円形、楕円形、長円形としてもよい。
【００１２】
（５）角断面のテープを用いたパワー半導体モジュールの配線用の装置であって、先端押し当て面の幅が前記角断面のテープ幅よりも狭いツールを備えるパワー半導体モジュールのボンディング装置。
本項に記載のパワー半導体モジュールのボンディング装置は、押し当て面の幅が角断面のテープ幅よりも狭いツールを用いて、角断面のテープのボンディングを行うことで、意図的に、ツールの未押し当て部を発生させる。この、ツールの未押し当て部は、厚みの減少が生じないことから必要な剛性が維持され、プル強度の低下防止に効果的である。又、ツールの未押し当て部によってプル強度が確保されることにより、接合部の、ツールを押し当てる部分については、極力厚みを減少させることで、角断面のテープとパッドとの線膨張係数差に起因する、接合部の耐久性の低下を防ぐものである。
又、テープ幅Ｗに対してツール押し当て面の幅が狭いことから、半導体素子の実装の際に、許容範囲内の位置ずれが生じることにより、角断面のテープに曲げが生じるような場合であっても、テープに対しツールの踏み外しが生じ難く、接合部の接合面積のばらつき防止に寄与するものとなる。加えて、角断面のテープ幅に占める接合部の幅の割合が小さいことから、半導体素子の実装傾きが生じた場合であっても、パッドに対する接合部の幅方向の高低差が比較的小さくなり、ツール押し当て時にパッドにかかる荷重差も幅方向で小さくなって、半導体素子に与えるダメージを軽減することが可能となる。
【００１３】
（６）上記（５）項において、角断面のテープの幅方向両端部にツールの未押し当て部が生じるように、前記角断面のテープに対し前記ツールの先端押し当て面を位置決めする、ツール位置決め手段を備えるパワー半導体モジュールのボンディング装置。
本項に記載のパワー半導体モジュールのボンディング装置は、角断面のテープの幅方向両端部にツールの未押し当て部が生じるが、この未押し当て部は、ツールの押し当ての前後で厚みが減少せず高剛性であることから、角断面のテープ幅に拡幅が生じない。よって、半導体素子のパッドの幅を角断面のテープ幅と同等に設定しても、角断面のテープが半導体素子のパッドからはみ出すことがない。又、角断面のテープの幅方向両端部が高剛性となることから、プル強度の低下防止に効果的である。なお、ツール位置決め手段としては、ツールを保持するヘッドを、前後左右に位置決めするリニアスライド等が用いられる。
【００１４】
（７）上記（５）、（６）項において、前記ツールの先端押し当て面の幅が、前記テープ幅の１／２であるパワー半導体モジュールのボンディング装置。
本項に記載のパワー半導体モジュールのボンディング装置は、ツールの先端押し当て面の幅が、テープ幅の１／２であることにより、上記（５）又は（６）項における作用を、最も効果的に発揮するものとなる。
なお、上記（５）、（６）項において、ツールの先端押し当て面の形状（幅と長さの関係）を正方形とすることが望ましいが、円形、楕円形、長円形としてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明はこのように構成したので、角断面のテープを用いたボンディング技術において、角断面のテープと半導体素子のパッドとの接合強度を安定的に高め、パワー半導体モジュールの性能及び信頼性の向上を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、従来技術と同一部分、若しくは相当する部分には同一符号を付し、詳しい説明を省略する。
【００１７】
図１に示される、本発明の実施の形態に係るパワー半導体モジュールのボンディング装置１６は、図２に示されるように、先端押し当て面１８ａの幅Ａが角断面のアルミテープ１２の幅Ｗよりも狭いツール１８を備えている。ツール１８はマイナスドライバーに類似する形状であり、図示の例では、ツール１８の先端押し当て面１８ａの形状は正方形（すなわちＡ＝Ｂ）となっている。なお、後述する接合部のプル強度の確保、及び、耐久性の向上の観点からすれば、ツール１８の先端押し当て面１８ａの幅Ａは、テープ幅Ｗの１／２であることが望ましい。
【００１８】
又、ボンディング装置１６は、図１に示されるように、ツール１８を保持するヘッド２０と、角断面のアルミテープ１２の供給手段２２とを備えている。ヘッド２０は、リニアスライド２４を介して本体２６に固定されることで、前後左右に位置決め自在となっている。ヘッド２０には、ツール１６に超音波振動を与える発振子２８と、ツール１６を上下にスライドさせ、角断面のアルミテープ１２を半導体素子１０のパッド１４に押し付けるためのスプリング及び電磁コイル３０が内蔵されている。又、ヘッド２０には、ツール１６を挟むようにして、角断面のアルミテープ１２のガイド３２及びクランプ３４と、カッター３６とが設けられている。なお、供給手段２２には、角断面のアルミテープ１２がロール３８に巻かれた状態でセットされており、一箇所のボンディングに必要な長さのテープ１２が、ロール３８から繰出されるようになっている。
【００１９】
上記構成をなす、本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能である。本発明の実施の形態に係るボンディング装置１６は、押し当て面１８ａの幅Ａが角断面のテープ幅Ｗよりも狭いツール１８を用いて、角断面のアルミテープ１２のボンディングを行うものである。よって、図３（ａ）に示されるように、角断面のアルミテープ１２の接合部には、意図的に、ツールの未押し当て部４０が形成される。又、角断面のテープ１２の幅方向両端部に形成されるツールの未押し当て４０は、ツールの押し当ての前後で厚みが減少せず高剛性であることから、角断面のテープ幅の拡大阻止に効果的である。なお、図３（ｂ）には、比較のために、従来の手法によってボンディングされた角断面のアルミテープ１２の接合部１２ｂ（１２ａ）が示されている。
【００２０】
図示の例では、ツールの先端押し当て面１８ａの幅Ａ＝１ｍｍ、テープ幅Ｗ＝２ｍｍ、すなわち、ツールの先端押し当て面１８ａの幅Ａがテープ幅Ｗの１／２となっている。そして、発明者らの解析によれば、ボンディング後の、従来の接合部１２ｂの幅が平均値（サンプル数３０）で２．３８１ｍｍであったのに対し、本発明の実施の形態では、平均値で２．０２４ｍｍに収まっている。従って、本発明の実施の形態によれば、半導体素子１０のパッド幅を、角断面のアルミテープ１２の幅Ｗと同等の幅することが可能となり、半導体素子１０の小型化にも貢献するものとなる。
【００２１】
又、本発明の実施の形態において、角断面のアルミテープ１２のツールの未押し当て部４０は、厚みの減少が生じないことから、角断面のアルミテープ１２のネック部１２ｃ（図８参照）に必要な剛性が維持され、プル強度の低下防止に効果的である。本実施の形態に係る、幅Ａ＝１ｍｍ、テープ幅Ｗ＝２ｍｍの場合において、ネック部１２ｃのプル強度は、発明者らの解析によれば、従来の平均値７５２ｇｆ（サンプル数３０）から、平均値１３６３ｇｆに向上している。
【００２２】
又、ツールの未押し当て部４０によってプル強度が確保されることにより、接合部４２については、極力厚みを減少させることから、角断面のテープ１２とパッド１４との線膨張係数差に起因する、接合部の耐久性の低下が回避されることとなる。本実施の形態に係る幅Ａ＝１ｍｍ、テープ幅Ｗ＝２ｍｍの場合において、発明者らの解析によれば、従来の接合部１２ａ（１２ｂ）の厚みが平均値で０．１０１ｍｍであったのに対し、本発明の実施の形態に係る接合部４２の厚みが平均値で０．０７４ｍｍまで薄くしているが、角断面のテープの幅方向両端部が、ツールの未押し当て４０となって高剛性であることから、プル強度の低下防止にも効果的である。更に、本実施の形態に係る幅Ａ＝１ｍｍ、テープ幅Ｗ＝２ｍｍの場合において、発明者らの解析によれば、従来の接合部１２ａ（１２ｂ）の、パワーサイクル試験における平均寿命（ＭＴＴＦ）が７００００サイクルに満たないのに対し、本発明の実施の形態によれば、８００００サイクルを超える耐久性を得ることが可能となっている。
【００２３】
又、本発明の実施の形態において、テープ幅Ｗに対してツール押し当て面１８ａの幅Ａが狭いことから、半導体素子１０の実装の際に、図４（ａ）に示されるように、許容範囲内の位置ずれが生じることにより角断面のテープ１２に角度θ１の曲げが生じるような場合であっても、テープ１２に対しツール１８の踏み外しが生じ難く、接合部４２の接合面積のばらつき防止に寄与するものとなる。図４（ｂ）には、比較のために、従来の手法によってボンディングされた角断面のテープ１２の接合部１２ｂが示されているが、拡大図に符号Ｄで示される部分は、ツール１８の踏み外しが生じて、接合部１２ｂの接合面積の減少を来たしている。なお、発明者らの解析によれば、従来の手法においてθ１≧４°でツール１８の踏み外しが生じていたのに対し、本発明の実施の形態によれば、θ１≦１５°までは、ツール１８の踏み外しは発生しない。
【００２４】
加えて、角断面のテープ幅Ｗに占める接合部４２の幅の割合が小さいことから、図５に示されるように、半導体素子１０の実装傾きθ２が生じた場合であっても、パッド１４に対する、接合部４２の幅方向の高低差が比較的小さくなり、ツール押し当て時にパッド１４にかかる荷重差も幅方向で小さくなって、半導体素子１０に与えるダメージを軽減することが可能となる。なお、図３、図４の例では、接合部４２には網目模様が付されているが、この網目模様は、上記作用効果を得る上で必須ではない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態に係るボンディング装置の概略図（一部拡大図）である。
【図２】図１に示されるボンディング装置のツール先端部を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図である。
【図３】角断面のアルミテープの接合部を示す平面図であり、（ａ）は本発明の実施の形態に係るもの、（ｂ）は比較のために、従来の手法によってボンディングされた角断面のアルミテープ接合部が示されている。
【図４】角断面のテープに曲げが生じるような場合の、角断面のアルミテープの接合部の平面図（一部拡大図）であり、（ａ）は本発明の実施の形態に係るもの、（ｂ）は比較のために、従来の手法によってボンディングされた角断面のアルミテープ接合部が示されている。
【図５】図１のボンディング装置を用いたボンディング作業に際して、半導体素子の実装傾きが生じている状態を示す模式図である。
【図６】従来のパワー半導体モジュールの斜視図である。
【図７】従来のパワー半導体モジュールの、角断面のアルミテープを用いた配線の接合部を模式的に示す平面図である。
【図８】従来のパワー半導体モジュールの、角断面のアルミテープを用いた配線部の側面図（一部拡大図）である。
【符号の説明】
【００２６】
１０：半導体素子、１２：角断面のアルミテープ、１２ｃ：ネック部、１４：パッド、  １６：ボンディング装置、１８：ツール、１８ａ：先端押し当て面、Ａ：ツールの先端押し当て面の幅、Ｗ：テープ幅
【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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