(57)【要約】［要約］［課題］局部加熱装置の押圧加熱部に溶融はんだが付着せず、はんだ付け作業性に優れた配線材、その素材を提供する。［解決手段］本発明の配線接続用クラッド材１は、純Ａｌよりも導電性に優れた純ＣｕあるいはＣｕ合金で形成された導電層(２)と、純ＡｌあるいはＡｌ合金で形成され、前記導電層(２)の一方の表面に積層された表面層(３)と、前記導電層(２)の他方の表面に溶融はんだめっきされたはんだ層(４)を備える。また、本発明の配線接続部材は、半導体素子の電極部にはんだ付けされる導電層を備えた第１接続端部と、外部配線部等にはんだ付けされる導電層を備えた第２接続端部とを有し、前記配線接続用クラッド材１から加工されたものである。［選択図］図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
純Ａｌよりも導電性に優れた金属で形成された導電層と、純ＡｌあるいはＡｌ合金で形成され、前記導電層の一方の表面に積層された表面層とを備えた配線接続用クラッド材。
【請求項２】
前記導電層の他方の表面にはんだ層が積層された、請求項１に記載した配線接続用クラッド材。
【請求項３】
前記はんだ層は溶融はんだめっきにより形成された、請求項２に記載した配線接続用クラッド材。
【請求項４】
前記導電層が純ＣｕあるいはＣｕ合金で形成された、請求項１に記載した配線接続用クラッド材。
【請求項５】
前記導電層が純ＣｕあるいはＣｕ合金で形成された、請求項２に記載した配線接続用クラッド材。
【請求項６】
前記導電層の層厚を５０〜２５０μm とし、前記表面層の層厚を５〜３０μm とした、請求項１から５のいずれか１項に記載した配線接続用クラッド材。
【請求項７】
半導体素子の電極部にはんだ付けされる導電層を備えた第１接続端部と、他の半導体素子の電極部あるいは外部配線部にはんだ付けされる導電層を備えた第２接続端部を有する配線接続部材であって、請求項１から５のいずれか１項に記載された配線接続用クラッド材から加工された、配線接続部材。
【請求項８】
前記導電層の層厚を５０〜２５０μm とし、前記表面層の層厚を５〜３０μm とした、請求項７に記載した配線接続部材。
【請求項９】
複数の第１接続端部及び／又は複数の第２接続端部が設けられた、請求項７に記載した配線接続部材。
【請求項１０】
複数の第１接続端部及び／又は複数の第２接続端部が設けられた、請求項８に記載した配線接続部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の電極部と外部配線部等とを電気的に接続する配線接続部材およびその素材として好適な配線接続用クラッド材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力用半導体素子、例えば電力用ダイオードやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transister）の電極部同士、あるいは半導体素子の電極部と外部配線部とを接続するには、アルミニウムワイヤを用いてその接続端部を電極部や外部配線部に超音波接合（ワイヤボンディング）する方法が採られていた。しかし、ワイヤボンディングによる接合は信頼性が低く、またアルミニウムワイヤでは許容電流が大きく取れない、などの問題があった。【０００３】
このため、近年、アルミニウムワイヤによるワイヤボンディングに代わって、特開平６−２６８０２７号公報（特許文献１）、特開平１１−１６３０４５号公報（特許文献２）、特開２００２−４３５０８号公報（特許文献３）に記載されているように、半導体素子の電極部と外部配線部とを銅帯配線材により接続することが行われている。前記銅帯配線材の接続は、一般的にはんだ付けによって行われる。はんだ付けは、銅帯配線材の端部をはんだ材を介して半導体装置（中間品）を構成する半導体素子の電極部と前記半導体装置の基板に設けられた外部配線部に配置した後、その半導体装置全体を不活性ガス炉にて加熱することにより行われる場合もあるが、一般的には、はんだごてなどの押圧加熱部を備えた局部加熱装置を用いて、はんだ付けを行う銅帯配線材の端部を押圧しながら加熱することにより行われる。
【特許文献１】特開平６−２６８０２７号公報
【特許文献２】特開平１１−１６３０４５号公報
【特許文献３】特開２００２−４３５０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、銅帯配線材は、一般的に、その端部の上面を加圧しながら加熱することで、半導体素子の電極部や外部配線部にはんだ付けされる。この方法は簡便であり、設備コストも低廉で済むが、以下の問題がある。すなわち、局部加熱装置を用いて銅帯配線材を押圧しながら加熱すると、銅帯配線材と電極部等との間に設けられたはんだ材が溶融し、その溶融はんだが銅帯配線材と電極部等との間から押し出され、銅帯配線材の外表面に濡れ広がる。その結果、しばしば溶融はんだが局部加熱装置の押圧加熱部に付着する。このため、繰り返してはんだ付けを行うと、押圧加熱部にはんだ滓が堆積して汚損される。このようになると、はんだ滓を除去することが必要になり、さらに除去作業の間、はんだ付け作業を中断しなければならない。その結果、生産性の低下を余儀なくされる。【０００５】
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、局部加熱装置の押圧加熱部に溶融はんだが付着せず、はんだ付け作業性に優れた配線材、その素材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】
【０００６】
本発明の配線接続用クラッド材は、純Ａｌよりも導電性に優れた金属で形成された導電層と、純ＡｌあるいはＡｌ合金で形成され、前記導電層の一方の表面に積層された表面層とを備えたものである。また、本発明の配線接続部材は、半導体素子の電極部にはんだ付けされる導電層を備えた第１接続端部と、他の半導体素子の電極部あるいは外部配線部にはんだ付けされる導電層を備えた第２接続端部とを有する配線接続部材であって、前記配線接続用クラッド材から加工されたものである。【０００７】
前記クラッド材及び配線接続部材によれば、その導体層の上に純ＡｌあるいはＡｌ合金で形成された表面層を備える。前記表面層の表面には緻密な酸化皮膜が大気中で自然に形成されるので、配線接続部材の導体層と半導体素子の電極部等との間にはんだ材を配置し、前記配線部材の表面層の上から押圧加熱部を押し付けて前記はんだ材を溶融させ、この溶融はんだにより前記導電層と電極部等をはんだ付けする際、前記溶融はんだが電極部等と配線接続部材との間から押し出されても、緻密なＡｌ酸化膜が形成された表面層の表面には濡れ広がらない。このため、前記押圧加熱部に溶融はんだが付着せず、押圧加熱部に対してはんだ滓の除去作業が不要となり、はんだ付け作業性ひいては生産性に優れる。【０００８】
前記クラッド材において、前記導電層の他方の表面にはんだ層を積層することができる。このはんだ層は、前記導体層と表面層とが積層された二層クラッド材を溶融はんだめっきすることにより容易に形成することができる。二層クラッド材から切断や打ち抜きなどにより加工された配線接続材をはんだ付けする場合には、別途、はんだ材を準備し、これをはんだ付けする部位に配置するというような煩雑な作業が必要となるが、予めはんだ層を形成することにより、そのような煩雑な作業が不要になり、はんだ付け作業性がより向上する。【０００９】
前記クラッド材において、前記導体層は純Ｃｕ又はＣｕ合金で形成することが好ましい。また、前記表面層の層厚は５〜３０μm 程度とし、前記導電層の層厚は５０〜２５０μm 程度とすることが好ましい。また、前記配線接続部材において、複数の第１接続端部及び／又は複数の第２接続端部を設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態にかかる配線接続用クラッド材の横断面図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる配線接続部材の斜視図である。
【図３】実施形態に係る配線接続部材をはんだ付けした半導体装置の一部断面側面図である。
【図４】他の配線接続部材の斜視図である。
【図５】はんだ付け試験要領を示す部分縦断面図である。
【符号の説明】
【００１１】
１  配線接続用クラッド材
２  導電層
３  表面層
４  はんだ層
５，５Ａ  配線接続部材
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る配線接続用クラッド材について説明する。図１は、実施形態に係る帯板状の配線接続用クラッド材１の横断面を示しており、純Ａｌよりも導電性に優れた導電層２と、この導電層２の一方の表面に圧接及び拡散接合により積層された表面層３と、前記導電層２の他の表面に積層されたはんだ層４とを備えている。【００１３】
前記導電層２は、純Ａｌよりも電気抵抗の低い各種金属、例えば純Ｃｕ、純Ａｇ、これらを主成分とする合金を用いることができる。材料コストを考慮すると、純Ｃｕが最も好ましいが、Ｃｕを９５mass％以上含有するＣｕ−Ａｇ合金、Ｃｕ−Ｐ合金、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ｃｕ−Ｚｎ合金などのＣｕを主成分とする導電性合金も用いることができる。前記導電層２の厚さは、十分な電流容量を確保するには、少なくとも５０μm 程度確保することが好ましい。一方、３００μm を超えて厚くする必要はなく、好ましくは１００〜２５０μm 程度でよい。【００１４】
また、前記表面層は、純ＡｌあるいはＡｌ合金で形成される。Ａｌ合金であれば、その表面に緻密なアルミニウム酸化膜が大気中で自然に形成されるので、その種類は問わないが、加工性、耐食性の良好な耐食Ａｌ合金が好ましい。純Ａｌとしては、ＪＩＳに規定された、１０５０，１０６０，１０８５，１０８０，１０７０，１Ｎ９９，１Ｎ９０などを用いることができ、また耐食アルミニウム合金としては、ＪＩＳに規定された、５０５２，３００３，６０６１などを用いることができる。前記表面層は、その表面に緻密なアルミニウム酸化膜が形成されればよいので、その厚さは重要ではなく、数μm 程度あれば十分である。製作の容易さの点では、表面層の厚さは５〜３０μm 程度が好ましい。【００１５】
一方、前記はんだ層４を形成するはんだとしては、融点が１３０〜３００℃程度のものが好ましく、そのようなはんだとして、例えば、純Ｓｎ、Ｓｎ−Ｐｂ合金、Ｓｎ−０．５〜５mass％Ａｇ合金、Ｓｎ−０．５〜５mass％Ａｇ−０．３〜１．０mass％Ｃｕ合金、Ｓｎ−０．３〜１．０mass％Ｃｕ合金、Ｓｎ−１．０〜５．０mass％Ａｇ−５〜８mass％Ｉｎ合金、Ｓｎ−１．０〜５．０mass％Ａｇ−４０〜５０mass％Ｂｉ合金、Ｓｎ−４０〜５０mass％Ｂｉ合金、Ｓｎ−１．０〜５．０mass％Ａｇ−４０〜５０mass％Ｂｉ−５〜８mass％Ｉｎ合金などが使用される。Ｐｂは人体に有害であり、自然環境を汚染するおそれがあるので、汚染防止の観点からはＰｂフリーのＳｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ合金などのはんだが好ましい。前記はんだ層の厚さは、通常、５０〜２００μm 程度あれば十分である。【００１６】
前記クラッド材は、以下のようにして製造される。前記導電層２、表面層３の元になる導電層材シート、表面層材シートを準備し、これらを重ね合わせて６０〜８０％の圧下率でロールにて冷間圧接し、得られた圧接材を３００〜５００℃程度の温度で１〜３分程度保持して圧接材の導電層及び表面層を互いに拡散接合する。こうして得られた二層クラッド材を適宜の幅（通常２〜４mm程度）でスリットし、得られた帯板材を溶融はんだ浴に通してその導電層の表面にはんだ層を溶融はんだめっきする。これにより、はんだ層を備えた三層構造のクラッド材が得られる。なお、溶融はんだめっきにより、導電層の側面にもはんだが付着するが、図１では図示省略されている。【００１７】
上記のようにして製作された帯板状のクラッド材は、適宜の長さに切断され、図２に示すように、曲げ加工されて、配線接続部材５とされる。この配線接続部材５は、前記クラッド材から切断加工されたものであるので、同様の断面構造を備えており、図２において、前記クラッド材と同様の構成要素は同符号で示されている。前記配線接続部材５は、その両端部に平坦状の第１接続端部６と第２接続端部７が形成され、前記第１接続端部６から第１脚部８、連結部９、第２脚部１０を介して第２接続端部７が連成されている。【００１８】
上記配線接続部材５の半導体装置におけるはんだ付け例を図３を参照して簡単に説明する。
銅板等の基板１１に絶縁層１２，１３が設けられ、その上に電力用半導体素子１４、銅帯からなる外部配線部１６が設けられている。前記電力用半導体素子１４にはメタライズ層からなる電極部１５が設けられており、この電極部１５と配線接続部材５の第１接続端部６の導電層２、前記外部配線部１６と配線接続部材の第２接続端部７の導電層２とがはんだ層４の溶融凝固によってはんだ付けされて、両者が電気的に接続されている。前記はんだ付けは、前記第１、第２接続端部６，７の表面層３の上に局部加熱装置の押圧加熱部を当接させ、押圧しながら加熱することにより行われる。この際、前記電極部１５と第１接続端部６の導電層２あるいは外部配線部１６と第２接続端部７の導電層２との間から余剰の溶融はんだが押し出されるが、表面層３の表面には溶融はんだとの濡れ性の悪いアルミニウム酸化膜が形成されているため、表面側に濡れ広がらない。このため、押圧加熱部に溶融はんだが付着せず、はんだ滓が堆積するおそれがない。【００１９】
上記実施形態では、二層クラッド材をスリットしてから溶融はんだめっきを行ってはんだ層を形成したが、二層クラッド材を溶融はんだめっきした後、必要に応じて適宜の幅にスリットしてもよい。また、配線接続部材の素材となる短冊片は、平板状の配線接続用クラッド材を製造し、これから打ち抜き加工により製作してもよい。また、はんだ層の形成に際しては、溶融はんだめっきによらず、他の方法、例えばクラッド法や印刷法によって積層形成してもよい。【００２０】
また、配線接続部材の形状は自由であり、例えば、第１脚部８、連結部９、第２脚部１０はアーチ状に一体的に形成してもよい。さらに、図４に示すように、配線接続部材５Ａの両側にそれぞれ複数（図例では２つ）の接続端部６，７を櫛歯状に設けてもよい。図例では配線接続部材５Ａの両側にそれぞれ複数の接続端部を設けたが、片側のみに複数の接続端部を設けるようにしてもよい。このように複数の接続端部を設けることで、接続部が多点構造となり、電流分布を均一化することができる。【００２１】
また、上記実施形態は、三層構造の配線接続用クラッド材を示すが、本発明の配線接続用クラッド材は、前記はんだ層４は必ずしも必要ではなく、導電層２と表面層３の二層構造のクラッド材であってもよい。このクラッド材から加工された配線接続部材を半導体素子の電極部等にはんだ付けする場合、配線接続部材の導電層と半導体素子の電極部等との間にはんだ材を配置してはんだ付けする。【００２２】
以下、本発明の配線接続用クラッド材について実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。
【実施例】
【００２３】
厚さ０．９５mmの純Ｃｕシートと厚さ０．０５mmの純Ａｌシートを重ね合わせて、圧下率７０％でロールにて冷間圧接し、その圧接材を４００℃、２分間保持し、Ｃｕ層（電導層）とＡｌ層（表面層）とが拡散接合した２層クラッド材を得た。さらにこれを冷間圧延し、板厚２００μm の配線接続用の２層クラッド材（Ｃｕ層：１９０μm 、Ａｌ層：１０μm ）を製作し、プレスにて打ち抜き加工して直径６mmのはんだ付け試験片を得た。一方、比較のため、板厚２００μm のＣｕ板を打ち抜き加工して、直径６mmのはんだ付け試験片を得た。【００２４】
次に、図５に示すように、これらのはんだ付け試験片２１を表１に示す組成を有する厚さ１００μm 、直径６mmの円形のはんだシート２２にそれぞれ重ね合わせてセラミック板２３の上に載置した。クラッド材の試験片については、Ｃｕ層がはんだシート側になるようにした。【００２５】
これらの試験片２１の上からはんだごて（出力１００Ｗ）の押圧加熱部（先端部直径３mm）２４を同心状に押し付けて、はんだシート２２を溶融し、その後溶融はんだを冷却凝固した。この際、試験片２１の上面における、溶融はんだが濡れ広がった領域の面積を測定し、下記式にてはんだ濡れ面積率Ｒを計算した。これらの測定結果、計算結果を表１に併せて示す。
Ｒ＝はんだ濡れ面積／試験片の表面積×１００％【００２６】
表１より、試料No. ３及び４の試験片（発明例）では、そのＡｌ層表面にほとんど溶融はんだが濡れ広がらなかったことがわかるが、Ｃｕ板からなる試験片では２０％程度、溶融はんだが濡れ広がったことがわかる。また、試料No. １及び２では、試験片の外周端から中心側に向かって最大で試験片の中心から半径２mm程度の位置まで溶融はんだの広がりが認められた。【００２７】
【表１】
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【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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【国際調査報告】
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