(57)【要約】【課題】金属片を超音波接合して電極形成する際に、金属片に適した接合条件で高強度かつ強度ばらつきの少ない電極を形成する。【解決手段】ＩＣ３３の電極部３４に金属片４１を押し付けながら超音波エネルギーを与えることにより金属拡散接合し金属電極を形成する際に、金属片４１を押し付ける吸着ノズル５の荷重を漸次増大させながら、吸着ノズル５を介して金属片４１を連続して一定の振幅で振動させる超音波を、吸着ノズル５の振動波形の振幅が一次的に減衰する振幅減衰点１６まで少なくとも印加する。これにより、吸着ノズル５の形状に追従する変形に達する程度まで金属片４１に超音波振動を与えることになり、金属片４１を高強度に接合させることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＣの電極部に金属片を押し付けながら超音波エネルギーを与えることにより金属拡散接合し金属電極を形成する際に、
前記金属片を押し付ける押圧手段の荷重を漸次増大させながら、前記押圧手段を介し金属片を連続して一定の振幅で振動させる超音波を少なくとも押圧手段の振動波形の振幅が一次的に減衰するまで印加する金属電極形成方法。
【請求項２】
超音波を、振幅減衰した振動波形が増幅するまで印加する請求項１記載の金属電極形成方法。
【請求項３】
超音波を、振幅減衰した振動波形が元の一定の振幅に増幅するまで少なくとも印加する請求項２記載の金属電極形成方法。
【請求項４】
振幅減衰後の超音波印加時間を振幅減衰までの超音波印加時間よりも短くする請求項３記載の金属電極形成方法。
【請求項５】
ＩＣがパワー半導体部品を構成するＩＣである請求項１〜請求項４のいずれかに記載の金属電極形成方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の金属電極形成方法を実施する金属電極形成装置であって、
金属片を吸着保持し所定位置に設置されたＩＣの電極部に対して出退して前記金属片を電極部に押し付ける押圧手段と、
前記押圧手段を介して金属片を振動させる超音波を供給する超音波供給手段と、
前記超音波供給手段及び押圧手段からの出力データを処理するデータ処理装置と、
前記データ処理装置からの処理データを基に前記超音波供給手段及び押圧手段をフィードバック制御する制御装置と
を備えた金属電極形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー半導体パッケージ製造などに使用される金属電極形成方法及び金属電極形成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パワー回路を形成するパワー半導体は電力分野、鉄道、自動車、家電製品などに広く使用されており、パワー半導体パッケージを製造する際の電極間接合方法も種々知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
そのなかの第１の方法はウェッジボンディングと称し、図５（Ａ）に示すように、電極板３１に予めはんだ３２にてダイボンディングされたＩＣ（ＩＣチップ）３３の電極部３４に、ワイヤー３５を通したツール３６を押し付けて超音波エネルギーによる金属拡散接合を行ない、その後に、図５（Ｂ）に示すようにワイヤー３５を引き伸ばして電極板３７に同様にして接合を行うことにより、電極間接合を確立させる方法である。
【０００４】
第２の方法は、図６（Ａ）に示すように電極板３９に予めはんだ３２にてダイボンディングされたＩＣ３３の電極部３４に、図６（Ｂ）に示すように吸着ノズル４０に吸着した金属片４１を押し付けながら超音波エネルギーによる金属拡散接合を行なって電極形成し、その後に、図６（Ｃ）に示すように全体を反転させて回路基板４２上にはんだ３２にて実装することにより、電極間接合を確立させる方法である。
【０００５】
【特許文献１】
特開平４−２６３４３６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記した第１の方法では、接合強度ばらつきを考慮して、超音波接合の終了後の全品に対して、図５（Ｃ）に示すように電極間ワイヤー３５を金具３８で既定の力まで引張り上げる試験を行うことで、それぞれの接合状態を確認する必要があり、試験で切断が生じた場合は、接合、引張り試験を繰り返し、接合条件の見直しをも行う必要があるという問題があった。
【０００７】
第２の方法でも、図６（Ｄ）に示すようにシェアツール４３によるシェア強度試験を定期的に行うことで、それぞれの接合状態を確認する必要があり、既定の接合強度に達していない場合は、接合、シェア強度試験を繰り返し、接合条件の見直しも行う必要があるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決するもので、金属片を超音波接合して電極形成する際に、部材の個体差等のばらつきに左右されず高強度かつ均一に接合できる金属電極形成方法および金属電極形成装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の金属電極形成方法は、ＩＣの電極部に金属片を押し付けながら超音波エネルギーを与えることにより金属拡散接合し金属電極を形成する際に、前記金属片を押し付ける押圧手段の荷重を漸次増大させながら、前記押圧手段を介し金属片を連続して一定の振幅で振動させる超音波を少なくとも押圧手段の振動波形の振幅が一次的に減衰するまで印加することを特徴とするもので、これにより、押圧手段の形状に追従する変形に達する程度まで金属片に超音波振動を与えることになり、金属片を高強度に接合させて金属電極となすことができる。
【００１０】
好ましくは、超音波を、振幅減衰した振動波形が増幅するまで印加する。このことにより、押圧手段の形状に追従する変形に達して接合された金属片に更に荷重及び超音波振動を与えることになり、金属片を高強度に接合できるのみならず、金属片の形状ばらつき等に起因する接合強度ばらつきを低減できる。
【００１１】
また、超音波を、振幅減衰した振動波形が少なくとも元の一定の振幅に増幅するまで印加する。このことにより、押圧手段の形状に金属片を完全に追従させるこことができ、形成される電極形状のばらつきを低減できる。
【００１２】
また、振幅減衰後の超音波印加時間を振幅減衰までの超音波印加時間よりも短くする。このことにより、接合部を破壊しようとする無駄なエネルギーの供給を回避できる。
【００１３】
ＩＣがパワー半導体部品を構成するＩＣである時に、このようにして高強度かつばらつきの少ない接合を実現できることは、熱ストレスに耐えうる高信頼性部品として保証できることを意味する。
【００１４】
本発明の金属電極形成装置は、金属片を吸着保持し所定位置に設置されたＩＣの電極部に対して出退して前記金属片を電極部に押し付ける押圧手段と、前記押圧手段を介して金属片を振動させる超音波を供給する超音波供給手段と、前記超音波供給手段及び押圧手段からの出力データを処理するデータ処理装置と、前記データ処理装置からの処理データを基に前記超音波供給手段及び押圧手段をフィードバック制御する制御装置とを備えた構成としたもので、上記した金属電極形成方法を自動的に、効率よく実施することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態における金属電極形成装置の概略構成を示す。この金属電極形成装置は、先に図６を用いて説明した電極間接合技術に使用するものであり、超音波発振機構を主体としている。
【００１６】
すなわち金属電極形成装置は、振動子１を発振させる発振器２と、振動子１とともにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸（Ｚ軸３のみ示す）に保持され、振動子１に接続された伝達ホーン４より振動が伝達される吸着ノズル５と、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を駆動制御する各ドライバー（Ｚ軸ドライバー６のみ示す）と、発振器１及び各ドライバーから出力されるデータを処理するマイコンなどのデータ処理装置７と、その処理データを基に発振器１及び各ドライバーをフィードバック制御するマイコンなどの制御装置８と、加工対象物を固定する固定治具９とを備えている。データ処理装置７，制御装置８は同一の装置で構成されることもある。
【００１７】
そして上記構成により、加工対象物として、電極板３９にダイボンディングされたＩＣ３３（図６参照）が固定治具９上に設置されるとともに、吸着ノズル５に電極材料としての金属片（金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、はんだなど）４１が吸着され、このＩＣ３３上の電極部３４に、吸着ノズル５に吸着された金属片４１が押し付けられ超音波エネルギーによって金属拡散接合される。
【００１８】
その際の押圧はＺ軸３で行なわれ、Ｚ軸ドライバー６にてフィードバック制御される。また、発振器２の制御信号を基に振動子１より超音波振動が出力され、伝達ホーン４，吸着ノズル５によって金属片３１に振動が伝えられる。超音波振動は予め設定された出力にて連続的に加えられ、発振器２と振動子１の間でフィードバック制御が行われる。
【００１９】
ここで、この金属電極形成装置の特徴は、予め決められた接合プロファイルを実現するように、発振器２とＺ軸ドライバー６からの出力データ１０を基に、制御装置７が発振器２とＺ軸ドライバー６に指示を与えてフィードバック制御する点である。
【００２０】
接合プロファイルについて、図２を用いて説明する。
図２（Ａ）は発振器２からのデータであって、発振器２により振動子１，伝達ホーン４を介して振動される吸着ノズル５の先端（したがって金属片３１）の振動を示す超音波振動波形である。発振器２と振動子１の間で、波形の最大振幅１１を一定にするようにフィードバック制御が行われている。
【００２１】
図２（Ｂ），（Ｃ）はＺ軸ドライバー６からのデータである。図２（Ｂ）はＺ軸３が金属片３１に与える荷重を示し、超音波発振開始点１２から超音波発振終了点１３までの既定時間１４の間に既定荷重１５がリニアに負荷されるように制御されている。図２（Ｃ）はその間の金属片３１の変形量を示す。
【００２２】
このような超音波振動波形と荷重と変形量との関係において、金属片３１に図２（Ｂ）に示すように押圧しながら超音波を与える間に、図２（Ａ）の超音波振動波形に見られるように振幅が減衰することがある。この振幅減衰点１６は、図２（Ｃ）の変形量の波形から分かるように、金属片３１がほぼ変形し終わった点、つまり吸着ノズル５の先端形状に金属片３１が追従し終わった時点と言える。振幅減衰点１６における荷重１７は、金属片３１の材質及び形状に固有である。振幅減衰点１６まで変形し終わった金属片３１をたとえば上述したシェア強度試験で調べると、高強度に接合されていることがわかる。
【００２３】
したがって、振幅減衰点１６が発生するように既定荷重１５を設定すること、すなわち、試験によって予想される振幅減衰点１６での荷重１７以上の既定荷重１５を設定することが重要である。既定時間１４、および最大振幅１１も、ＩＣを破壊することがなく、かつ振幅減衰点１６が発生するように、試験により予想して設定する。
【００２４】
超音波接合工程について具体的に説明する。
図３（ａ）に示す金属片３１に対して、上記のように設定された既定荷重１５に達するようにＺ軸ドライバー６がＺ軸３，吸着ノズル５を介してリニアに荷重を加えるとともに、発振器２が振動子１，伝達ホーン４，吸着ノズル５を介して超音波エネルギーを与え、それにより金属片３１が徐々に変形する。
【００２５】
その際の発振器２とＺ軸ドライバー６からの出力データ１０はデータ処理装置７，制御装置８で処理されていて、それより振幅減衰点１６が検出された時点で、制御装置８が発振器２に超音波エネルギーの供給停止を指示する。また発振器２と同時にＺ軸ドライバー６に停止を指示する。（制御装置８に予め、発振器２と同時にＺ軸ドライバー６に停止を指示するプログラムを記憶させておいてもよい。）
この間に、図３（ｂ）に示すように金属片３１は吸着ノズル５の先端形状に追従し終わるまで変形し、金属片３１の材料及び形状に応じた最適な接合状態で電極部４に接合される。したがってシェア強度試験等の接合状態確認試験を行う必要はない。
【００２６】
なお、振幅減衰点１６が検出された後に超音波振動波形が増幅するまで、たとえば最大振幅１１に回復するまで超音波を加え続けるようにしてもよい。その場合は、振幅減衰点１６の後に最大振幅１１が検出された時点で発振器２にエネルギー供給停止を指示するように、制御装置８に手順を記憶させておく。
【００２７】
このようにして、振幅減衰点１６から最大振幅１１に回復するまでの間、既に吸着ノズル５に追従し終わった金属片３１に更なる荷重及び超音波が与えられることで、金属片３１のバンプとしての形状が安定化するとともに、接合強度が更に増す。またバンプ形状の安定化に伴って接合面積のばらつきが低減され、結果的に接合強度のばらつきも低減される。
【００２８】
最大振幅１１への回復後も荷重及び超音波を加え続けてもよいが、その時間は短い方が好ましい。最大振幅１１への回復後の印加は、接合部を破壊しようとするエネルギーとなるからである。そのために、振幅減衰点１６が既定時間１４の後半に発生するように既定荷重１５を調整する。
【００２９】
パワー半導体部品を含んだ回路基板構成を図４に示す。
図４（Ａ）に示すように、従来法で作製されたパワー半導体部品１８を用いる回路基板構成では、駆動回路１９と電源回路２０が分離された状態であった。図中、２１は配線基板、２２は表面実装部品、２３はアルミベース基板、２４はアルミ放熱板、２５はシリコーン樹脂である。
【００３０】
これに対し、図４（Ｂ）に示すように、上記した本発明の金属電極形成方法を用いて作製されたパワー半導体部品２６を使用する場合には、パワー半導体部品２６自体が薄型になるとともに、駆動回路１９の配線基板２１に表面実装することが可能となり、従来よりも回路基板構成を薄型化できる。図中、２７は高放熱樹脂である。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、本発明の金属電極形成方法及び金属電極形成装置によれば、金属片を押圧しながら超音波接合する間に、超音波振動状態や金属片の変形量から接合状態を把握し、それらのデータをフィードバックして接合条件に組み込むようにしたため、金属片の材料及び形状に応じた最適な接合を実現することが可能になり、高強度接合を達成できる。
【００３２】
金属片が押圧手段の形状に完全に追従する変形に達した後も更なる荷重及び超音波を加えることで、接合強度を更に増大できるとともに、金属片のバンプとしての形状を安定化することができ、それに伴って接合面積のばらつきを低減して接合強度のばらつきを低減することができる。よって、部材の個体差等のばらつきに左右されない高強度かつばらつきの少ない接合を実現できる。
【００３３】
したがって、接合終了後にシェア強度試験等の接合状態確認試験を行う必要はなく、パワー半導体パッケージなどに用いる高効率かつ高品質な部品を低コストで大量生産することが可能になり、パワー半導体パッケージなどの製品の小型化にも寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における金属電極形成装置の概略構成図
【図２】本発明の金属電極形成方法で用いる接合プロファイルの説明図
【図３】図２の接合プロファイルに対応する金属電極形成工程を示す断面図
【図４】（Ａ）従来のパワー半導体部品を含む回路基板構成、（Ｂ）本発明の金属電極形成方法で作製されたパワー半導体部品を含む回路基板構成、をそれぞれ示した断面図
【図５】パワー半導体パッケージ作製に用いられる従来の電極間接合技術を説明する断面図
【図６】パワー半導体パッケージ作製に用いられる従来の他の電極間接合技術を説明する断面図
【符号の説明】
１  振動子
２  発振器
３  Ｚ軸
４  伝達ホーン
５  吸着ノズル（押圧手段）
６  Ｚ軸ドライバー
７  データ処理装置
８  制御装置
１０  出力データ
１６  振幅減衰点
３３  ＩＣ
３４  電極部
４１  金属片
【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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