(57)【要約】【課題】金属の超音波接合において、金属材料表面に形成された酸化膜を、還元炉などの大型の装置を用いることなく、接合時に排除する。【解決手段】２つの金属部材（１，２）の接合表面に微粒子４を介装し、前記金属部材の少なくとも一方に超音波振動を印加して、前記２つの金属部材を接合するものとする。  前記微粒子には、前記２つの金属部材の接合表面に形成される自然酸化膜のうち、厚い方の酸化膜厚以上の粒径を有するものを用いる。【選択図】図１
2005223229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの金属部材の接合表面に微粒子を介装し、前記金属部材の少なくとも一方に超音波振動を印加して、前記２つの金属部材を接合することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記２つの金属部材の接合表面に形成される自然酸化膜のうち、厚い方の酸化膜厚以上の粒径を有する微粒子を用いたことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記２つの金属部材の硬度以上の硬度を有する微粒子を用いたことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項４】
前記微粒子は無機材料であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の接合方法。
【請求項５】
前記微粒子は、前記２つの金属部材のうちの少なくとも一方を構成する材料からなることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の接合方法。
【請求項６】
前記２つの金属部材のうち、少なくとも一方は銅であって、前記微粒子は、金，銀，銅からなる群のうち少なくとも１つを選択して用いることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項７】
前記２つの金属部材のうち、一方は半導体素子の電極パッドもしくは該半導体素子が搭載された基板上の回路パターンであり、他方は前記半導体素子の電極パッドもしくは該半導体素子が搭載された基板上の回路パターンを接続する金属導体であって、両者を請求項１〜請求項６に記載の接合方法によって接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
半導体素子と、該半導体素子が搭載された基板上の回路パターンと、前記半導体素子の電極パッドもしくは該半導体素子が搭載された基板上の回路パターンを接続する金属導体とを備えた半導体装置であって、前記半導体素子の電極パッドもしくは該半導体素子が搭載された基板上の回路パターンと前記金属導体との間を請求項１〜請求項６に記載の接合方法によって接合したことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置などで使用されるリードフレームを超音波接合する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力変換装置の小型化・高密度化が進んできている。電力変換装置のパッケージ内部の配線，パッケージ構造，放熱方法などの改良によって電力変換装置の小型化・高密度化が図られている。パッケージ内部の配線方法においては、半導体素子，絶縁基板上の配線パターン，外部導出端子などを接続する際にアルミワイヤーによるワイヤーボンディング方法で行われていたものを、金属導体板による接合方法を導入されている。これによって配線スペースが縮小するなど、電力変換装置の小型化・高密度化が図られている。
金属導体板の接合にははんだによる接合（はんだ接合）や超音波接合がある。
図２は、従来の超音波接合方法の工程を示す図である。同図（ａ）は超音波接合前の材料の状態を示したものである。１は固定側金属材料、２は可動側金属材料である。図３は電力変換装置を構成する半導体装置１０の要部を示す図であって、固定側金属材料１は、半導体装置１０において、半導体素子１１の電極パッド部や、絶縁基板１３上の回路パターン１１などに相当し、同様に、可動側金属材料２は、半導体素子１１，絶縁基板上の配線パターン１１，外部導出端子（図示せず）などを相互に接続する金属導体板（リードフレームなど）１２に相当する。図３において、１４は絶縁基板１３の裏面に設けられた導体パターン、１５は絶縁基板を固定する放熱ベースである。
【０００３】
固定側金属材料１及び可動側金属材料２の表面にはそれぞれ薄い酸化膜３（自然酸化膜）が形成されている。通常、この酸化膜３の厚さは数ｎｍ〜十数ｎｍである。
同図（ｂ）は超音波接合時の材料の状態を示したものである。固定側金属材料１の上面に可動側金属材料２を所定加圧力で押し当て、可動側金属材料２に超音波振動を印加し、固定側金属材料１と可動側金属材料２とを図1（ｂ）に矢印で示すように左右（あるいは紙面に対して前後）に相対変位させる。同図（ｃ）は接合後の状態を示したものであり、固定側金属材料１と可動側金属材料２との間にそれぞれの材料表面に形成されていた酸化膜３が残存している状態である。
同図（ｄ）は接合後の状態を示したものであるが、同図（ｃ）よりも酸化膜３が薄くなっている。これは、超音波接合の際に、金属材料表面の酸化膜が金属材料同士の摺動により破壊され、金属材料の新生面が現れ、金属間の界面でお互いの結晶が結びつき、凝着、相互拡散、再結晶することで強固な接合となっているためである。
【０００４】
図２の（ｃ），（ｄ）で示した従来の超音波接合方法の接合後の状態では、金属材料表面に形成された酸化膜３の破壊が不充分であり、を固定側金属材料１と可動側金属材料２の境界に依然として酸化膜３が残存しており、強固な接合が得られず信頼性上問題となる。
ここで、電子部品の電極表面に形成された自然酸化膜を破壊する方法として、異方性導電膜を用いて電子部品を接続する方法が知られている。異方性導電膜の貫通孔部に突起電極構造の導電部を形成し、導電部（金）内にアルミナの粒子を含有させる。この異方性導電膜を電子部品間に介在させて圧着し超音波を印加することによって酸化膜の破壊を行っている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平5-47428号公報（要約など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
金属の超音波接合においては、上述のように金属材料表面に形成された酸化膜３を接合時にどう排除するかが技術ポイントとなる。
この酸化膜３を排除する方法として、上記特許文献１に記載の方法があるが、電力変換装置等に適用するパワー半導体装置の接続に、異方性導電膜を用いたのでは、電気抵抗が大きく損失が大きくなってしまう他、熱抵抗が大きくなって十分な放熱ができないこと、所望のヒートサイクル特性が得られないなどの問題がある。
これに対して、金属導体板を用いて前記パワー半導体装置を接続すれば、上記特許文献１に記載の方法の問題点（損失，熱抵抗，対ヒートサイクル）がある程度改善されるものの、依然として、接合界面に残留する酸化膜の影響を受けて、所望の特性を得ることができない。
【０００６】
上記従来例における固定側金属材料１と可動側金属材料２を、水素雰囲気中で還元し、金属の新生面を露出させた状態で超音波接合を行えば、残留する酸化膜を除去することができるが、これにも次の２つの問題が生ずる。１つは、水素雰囲気中で酸化膜３を還元により除去した金属材料を、還元炉より大気中に取り出すと、超音波接合するまでに、また新たに吸着などにより酸化膜が形成されてしまう点である。２つめには、酸化還元された金属材料を空気中に取り出さず、そのまま還元炉の中で超音波接合する場合には、装置規模が大きくなり、設備費用が増大してしまう点である。
この発明は、前記のような従来の超音波接合方法の問題点に鑑みてなされたものであって、良好な超音波接合を得ることを課題とすものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、この発明は、２つの金属部材の接合表面に微粒子を介装し、前記金属部材の少なくとも一方に超音波振動を印加して、前記２つの金属部材を接合するものとする。
前記微粒子には、前記２つの金属部材の接合表面に形成される自然酸化膜のうち、厚い方の酸化膜厚以上の粒径を有するものや、前記２つの金属部材の硬度以上の硬度を有するものを用いるのが好適であって、前記微粒子には無機材料を適用しても良い。
さらに、前記２つの金属部材のうち、一方を半導体素子の電極パッドもしくは該半導体素子が搭載された基板上の回路パターンとし、他方を前記半導体素子の電極パッドもしくは該半導体素子が搭載された基板上の回路パターンを接続する金属導体として、両者を上記の接合方法によって接合することによって半導体装置の製造するとよい。
【発明の効果】
【０００８】
２つの金属部材間を超音波接合する際に、酸化膜を積極的に破壊し金属表面同士を摺動させるため、凝着部の増大にともなう充分な接合強度を得ることが可能となる。このことにより接合前に厚い酸化膜が形成されていても充分な接合強度が得られる。
また、半導体装置の製造に適用することにより、高い接合信頼性を有した半導体装置が得られ、この半導体装置を用いた電力変換装置の信頼性を向上させることができる。
水素などによる還元炉といった大掛かりな設備が不要となり、大気中でも信頼性の高い超音波接合を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下にこの発明を、図に示す実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１はこの発明の実施例を示すものである。同図（ａ）は超音波接合前の金属材料の状態を示し、固定側金属材料１及び可動側金属材料２の表面に酸化膜３が形成されている。
以下において、固定側金属材料１及び可動側金属材料２の材質が共に銅である場合を例にとって説明する。
同図（ａ）は超音波接合前の材料の状態を示したものである。まず、同図（ａ）に示すように、固定側金属材料１の表面に、銅からなる微粒子４を散布する。
次に、  同図（ｂ）は超音波接合時の材料の状態を示したものである。固定側金属材料１の上面に可動側金属材料２を所定加圧力で押し当て、可動側金属材料２に超音波振動を印加し、固定側金属材料１と可動側金属材料２とを図1（ｂ）に矢印で示すように左右（あるいは紙面に対して前後）に相対変位させる。
【００１１】
可動側金属材料２を図示しない加圧機構により固定側金属材料１に押し当てた状態で超音波振動を与える。加圧力は0.08Ｎ/ｍｍ２〜2.5Ｎ/ｍｍ２，超音波周波数は10〜30ｋＨｚの範囲で強固な接合を得るに適切な条件とする。このようにして銅微粒子４を固定側金属材料１と可動側金属材料２の間に挟みこみ、加圧力及び超音波振動を負荷すると、銅微粒子４により固定側金属材料１及び可動側金属材料２表面に形成された酸化膜３が破られ、酸化膜３が破られた部分から金属の新生面が露出する。
これらの作業は大気中で行うが、固定側金属材料１と可動側金属材料２は加圧機構により加圧され、密着状態にあるので、超音波振動により新生面が露出しても直ちに酸化されることがない。
図１（ｃ）は接合後の状態を示すものであり、固定側金属材料１と可動側金属材料２間に挿入された銅微粒子４は、固定側金属材料１と可動側金属材料２との界面に残存している。同図（ｄ）は接合後の状態の別の例を示すものであり、銅微粒子４がそれぞれの金属材料に溶け込んでいる。これは、超音波接合における金属材料の摺動面が状況によっては数百度付近に上昇し、固定側金属材料１及び可動側金属材料２と4銅微粒子が原子間距離まで近接し、前述した金属学的結合を形成するためである。この金属学的結合は金属の融点の1/3付近、あるいはそれ以下の温度でも形成され得る。銅の場合、融点は1083℃であるので金属学的結合は360℃付近となる。同図（ｃ）（ｄ）のいずれの状態であっても、両金属資料の接合面の酸化膜を破り強固な接合を得ることできる。
【００１２】
本実施例のように、固定側金属材料１及び可動側金属材料２と微粒子４の材質が同一の場合において、超音波振動により酸化膜が充分に排除され、摺動による温度上昇により、微粒子４は固定側金属材料１及び可動側金属材料２と一体となり、強固な接合が得られる。
なお、微粒子の大きさは、固定側金属材料１及び可動側金属材料２の表面に形成される酸化膜の厚さに応じて選択され、各金属材料の表面酸化膜厚と同程度か若干大きいことが望ましい。微粒子が酸化膜厚より小さいと、加圧により銅微粒子が酸化膜に埋没してしまって酸化膜破壊につながりにくくなるためである。本実施例では、固定側金属材料１及び可動側金属材料２が銅であり、半導体回路基板に使用される銅材の自然酸化膜厚は数ｎｍ〜数十ｎｍであるので、銅微粒子４の大きさは数十ｎｍ以上とすればよい。
【００１３】
また、微粒子は、固定側金属材料１及び可動側金属材料２のうち、硬度の高い材料と同じかそれ以上の硬度を有することが望ましい。微粒子の硬度が高いと、２つの接合材料間に挟んで加圧しても微粒子が変形しにくいため、より酸化膜を破壊しやすくなる。
ここで、微粒子の形状は球形とするよりも、多面体や微小突起を有する形状が望ましい。球形のものに比して加圧によって酸化膜に効果的に突き刺さり、その後の超音波振動によって酸化膜を破壊しやすいためである。
上記の微粒子の製造方法としては機械的粉砕法，アトマイズ法，気相還元法，電解法等が周知である。上述の如く微粒子を球形とするよりは、多角形もしくは微小突起を有する形状とすることが望ましいため、例えば機械的粉砕法，アトマイズ法等によって製造すればよい。
【００１４】
また、固定側金属材料に散布した際に、多角形であると転がりにくいため、散布の際に不要な個所への付着を防ぐことができ作業性が良い。
なお、微粒子を固定側金属材料と可動側金属材料との間への配置は次のように行うと良い。所望の個所を開口させた金属製あるいは樹脂製のマスクを用意する。前記マスクの開口部を固定側金属材料の接合個所に併せて設置し、微粒子を散布する。
このとき、微粒子を溶剤と混ぜて所望個所に塗布しても良い。このようにすると、不必要な個所への微粒子の付着を防ぐことができる。散布・塗布いずれの方法においても、接合個所に微粒子を均一に配置することが望ましい。
前記マスクを取り外し、微粒子が散布された接合個所に可動側金属材料を押し当る。可動側金属材料を説工個所に加圧して超音波振動を印加し、両金属材料を接合する。接合後、超音波洗浄等の洗浄手段によって洗浄し、接合面に取り込まれなかった微粒子や他の部位に付着した微粒子を洗浄除去する。
【００１５】
あるいは、硬質の作業台上に微粒子を散布もしくは塗布し、ここに可動側金属材料の接合面を一旦押し当てて、微粒子を可動側金属材料の接合面に食い込ませた状態とし、この状態で固定側金属材料の接合面に押し当てて可動側金属材料を接合個所に加圧して超音波振動を印加し、両金属材料を接合してもよい。超音波洗浄等の洗浄手段によって洗浄し、接合面に取り込まれなかった微粒子や他の部位に付着した微粒子を洗浄除去する。微粒子を固定側金属材料上に散布する方法に比べて余分な微粒子の付着を防ぐことができる。
上記実施例では固定側金属材料１及び可動側金属材料２を銅材とし、微粒子４も同じ銅材の場合について説明したが、微粒子に銅に換えて銀や金の微粒子を使用しても良い。銀及び金の融点はそれぞれ962℃及び1064℃であり、固定側金属材料１及び可動側金属材料２に銅を用いる場合、銅の融点に近く、金属学的結合が起こりやすい。
【００１６】
また、接合する金属材料の硬度に応じて、微粒子を焼きなまして所望の硬度としても良い。
これまで、微粒子に銅，銀及び金を用いた場合について説明したが、微粒子を固定側金属材料及び可動側金属材料間に挟み、加圧並びに超音波振動を印加することにより、前記金属材料表面に形成された酸化膜を破壊可能な粒径並びに硬度を有するものであれば、微粒子に他の無機材料を用いても良い。例えば、アルミナ、窒化アルミ、窒化珪素、炭化珪素などが適用可能である。
上記の実施例では固定側金属材料１及び可動側金属材料２は銅材としたが、銅材に限られることはなく、熱移動体として用いることのできる金属、例えばアルミニウム材などを用いてもよい。このとき、微粒子には同材料であるアルミニウムが好適である。
【００１７】
上記の接合方法を図３に示す半導体装置の製造に適用することができる。即ち、半導体装置１０において、固定側金属材料１が、半導体素子１１の電極パッド部や絶縁基板１３上の回路パターン１１などに相当し、同様に、可動側金属材料２が、半導体素子１１，絶縁基板上の配線パターン１１，外部導出端子（図示せず）などを相互に接続する金属導体板（リードフレームなど）１２に相当する。これらの部材間の接合に上記のとおり、微粒子を介在させて超音波接合を行うことにより、強固な接合を得ることができる。
大容量の電力変換装置のように、半導体素子１１にパワー半導体素子を用いて、熱サイクル，パワーサイクルが印加されるような使用条件においても、部材間が強固に接合されているため、高い信頼性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例を示す図である。
【図２】従来例を示す図である。
【図３】半導体装置の要部を示す図
【符号の説明】
【００１９】
１  固定側金属材料
２  可動側金属材料
３  酸化膜
４  微粒子
【図１】
2005223229.tif 000003
【図２】
2005223229.tif 000004
【図３】
2005223229.tif 000005