(57)【要約】【課題】  パワーモジュールにおけるリードと基板配線パターンを超音波接合する構造において、大面積の接合面を絶縁基板の損傷を防止しつつ良好な接合を可能にし、良好な放熱性を兼ね備えさせる。【解決手段】  表面に複数の配線パターンが形成された基板と、この基板に搭載されて複数の配線パターンのうちの一部の配線パターンに電気的に接続された半導体素子と、複数の配線パターンのうちの他の配線パターンと電気的に接続されたリードを有する端子部を備えたパワーモジュールを、端子部のリードは他の配線パターンの材料と同等もしくは柔らかい材料を含む複数の金属部材を積層して構成されており、複数の金属部材のうち他の配線パターンの材料と同等もしくは柔らかい材料が他の配線パターンと超音波接合により電気的に接続されるように構成した。【選択図】図３Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に複数の配線パターンが形成された基板と、該基板に搭載されて前記複数の配線パターンのうちの一部の配線パターンに電気的に接続された半導体素子と、前記複数の配線パターンのうちの他の配線パターンと電気的に接続されたリードを有する端子部を備えたパワーモジュールであって、前記端子部のリードは前記他の配線パターンの材料と同等もしくは柔らかい材料を含む複数の金属部材を積層して構成されており、該複数の金属部材のうち前記他の配線パターンの材料と同等もしくは柔らかい材料が前記他の配線パターンと超音波接合により電気的に接続されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記リードは、複数の金属平板を積層した合板状により成形されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記リードの積層した金属部材のうち前記他の配線パターンと接合面する側の金属部材の硬度が、他の金属部材の硬度に比べて小さいことが特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記リードは、銅を主成分とする部材とアルミニウムを主成分とする部材とが積層された構成を有し、前記他の配線パターンは銅で形成されており、前記アルミニウムを主成分とする部材が前記他の配線パターンと超音波接合により電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記超音波接合により、前記他の配線パターンの材料よりも柔らかい材料と前記他の配線パターンとの界面に前記他の配線パターンの材料よりも柔らかい材料と前記他の配線パターンの材料とからなる拡散層が形成された状態で前記端子部のリードは前記他の配線パターンと電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
表面に複数の配線パターンが形成された基板に半導体素子が搭載されて前記複数の配線パターンのうちの一部の配線パターンに前記半導体素子が電気的に接続している状態の前記基板の前記複数の配線パターンのうちの他の配線パターンに端子部のリードを電気的に接続するパワーモジュールの製造方法であって、前記端子部のリードは前記他の配線パターンの材料と同等もしくは柔らかい材料を含む複数の金属部材を積層して構成されており、該複数の金属部材のうち前記他の配線パターンの材料と同等もしくは柔らかい材料を前記他の配線パターンと接触させた状態で前記端子部のリードと前記他の配線パターンとを超音波接合することにより、前記端子部のリードと前記他の配線パターンとを電気的に接続することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【請求項７】
前記リードは、銅を主成分とする部材とアルミニウムを主成分とする部材とが積層された構成を有し、前記他の配線パターンは銅で形成されており、前記アルミニウムを主成分とする部材が前記他の配線パターンと超音波接合により電気的に接続されていることを特徴とする請求項６に記載のパワーモジュールの製造方法。
【請求項８】
前記超音波接合により、前記他の配線パターンの材料よりも柔らかい材料と前記他の配線パターンとの界面に前記他の配線パターンの材料よりも柔らかい材料と前記他の配線パターンの材料とからなる拡散層を形成して前記端子部のリードは前記他の配線パターンとを電気的に接続することを特徴とする請求項６に記載のパワーモジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波接合によりリードを接続するパワーモジュール及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワーモジュールは、セラミックなどからなる絶縁基板に銅などからなる配線パターンを形成し、複数個の半導体素子が搭載されモジュール内に収納する構造となっている。このようなパワーモジュールにおいては、各半導体素子の電極と配線パターンや配線パターン間、配線パターンと外部接続用リードなどの接続にワイヤボンディングが用いられており、大電流を流すため複数本のワイヤを並列にボンディングする方法が、例えば特開２００７−６７３４２号公報（特許文献１）に記載されている。
【０００３】
近年、パワーモジュールの小型化の要求から接続占有面積をワイヤボンディング時の面積より小さく出来る板状のリードを用いる方法が考案された。板状のリードの接続方法としては、超音波を用いる方法がある。板状のリードを超音波接合（超音波接続）することについては、例えば特開２０１０−４０７１４号公報（特許文献２）、特開２０１０−８２６６８号公報（特許文献３）、特開２０１０−２１２６４５号公報（特許文献４）及び特開２０１１−６１１０５号公報（特許文献５）などに記載されている。
【０００４】
板状のリードを超音波接合する方法は、配線パターン上にリードを設置し、そのリード上からボンディングツールにより所定の荷重を加えながら押圧し、所定の周波数で水平方向に超音波振動させる。荷重と超音波振動（振幅）により金属表面にあった汚れや酸化膜を除去し接合される。
【０００５】
また、大電流化に伴い配線パターンとリードの接続面積は大きくなっている。接続面積が大きくなると良好な接合をするために押圧する荷重や超音波振動の振幅を大きくする必要があり、絶縁基板の損傷を招く可能性は高くなる。
【０００６】
絶縁基板の損傷を防止する技術として、特許文献２には、接合部材及び被接合部材は銅を主成分として含み、接合部材と被接合部材の接合面間に錫を主成分とする錫層を介在せしめ、錫層を挟んだ状態で接合部材を被接合部材に圧接し、常温で接合部材に超音波振動を与えることが記載されている。
【０００７】
また、特許文献３には、端子の端部と配線との間に樹脂層を設けて、超音波接合時の力を緩和する構成について記載されている。
【０００８】
更に、特許文献４には、端子の端部と電極パッドとの間に柔らかい、もしくは摺動姓の高い薄いバッファー金属層を設けることにより、超音波接合時にパッドに端子の端部によって磨耗・亀裂が発生することを防止することが記載されている。
【０００９】
一方、特許文献５には、パッド上に、パッド及びリード端子よりも硬いコーティング層を形成することにより、超音波接合時にはコーティング層が破壊されてリード端子とパッドとが塑性流動により接続することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−６７３４２号公報
【特許文献２】特開２０１０−４０７１４号公報
【特許文献３】特開２０１０−８２６６８号公報
【特許文献４】特開２０１０−２１２６４５号公報
【特許文献５】特開２０１１−６１１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
板状のリードを超音波接合する方法が記載されている特許文献２の方法では、接合部材（リード）と被接合部材（基板配線パターン）の材質を銅と限定しており、その他の材質と組合せることについては配慮されていない。
【００１２】
また、接合面に錫層を設置し接合させる手法を用いているが錫層の大半は銅の中に雲状に分散するが一部錫層が残ってしまう。パワーモジュールは、その後の製造検査工程や使用環境または使用条件によっては高温状態になることがある。このような高温状態においては、接合面に一部残った錫層が軟化し接合部界面の強度低下の原因になるという問題がある。
【００１３】
また、特許文献３に記載されている方法では、端子の端部と配線との間に設けた樹脂層が超音波接合を行うことにより分断されて端子と配線との間に広がることにより端子と配線との金属間接触面積が減少し、結果として接続部の電気抵抗の上昇につながってしまうという問題がある。
【００１４】
更に、特許文献４に記載されて方法では、超音波接合の初期においてバッファー金属層がパッドの磨耗・亀裂の発生を防ぐことができるが、パッドと電極との接触面積が大きくなった場合に、バッファー金属層がない部分においてパッドの磨耗・亀裂の発生を防ぐことについては配慮されていない。
【００１５】
更にまた、特許文献５に記載されている方法では、超音波接合時に、パッド上に形成したパッド及びリード端子よりも硬いコーティング層の割れた部分でリード端子とパッドとが塑性流動により接続するという方式のため、パッドと電極との接触面積が大きくなった場合に、パッドとリード端子との間に残ったコーティング層がパッドとリード端子間の金属接合を妨げ、その結果、パッドとリード端子間の接続抵抗を高くしてしまう、また接続の信頼性を低下させるという可能性がある。
【００１６】
本発明の目的は、上記記載した従来技術の欠点を解消し、配線パターンとリードの金属同士を接続させる超音波接合時に絶縁基板の損傷なく大面積の良好な接合が可能なパワーモジュール及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記した従来技術の課題を解決するために、本発明では、表面に複数の配線パターンが形成された基板と、この基板に搭載されて複数の配線パターンのうちの一部の配線パターンに電気的に接続された半導体素子と、複数の配線パターンのうちの他の配線パターンと電気的に接続されたリードを有する端子部を備えたパワーモジュールを、端子部のリードは他の配線パターンの材料と同等もしくは柔らかい材料を含む複数の金属部材を積層して構成されており、複数の金属部材のうち他の配線パターンの材料と同等もしくは柔らかい材料が他の配線パターンと超音波接合により電気的に接続されるように構成した。
【００１８】
また、上記した従来技術の課題を解決するために、本発明では、表面に複数の配線パターンが形成された基板に半導体素子が搭載されて複数の配線パターンのうちの一部の配線パターンに半導体素子が電気的に接続している状態の基板の複数の配線パターンのうちの他の配線パターンに端子部のリードを電気的に接続するパワーモジュールの製造方法において、端子部のリードは他の配線パターンの材料と同等もしくは柔らかい材料を含む複数の金属部材を積層して構成されており、この複数の金属部材のうち他の配線パターンの材料と同等もしくは柔らかい材料を他の配線パターンと接触させた状態で端子部のリードと他の配線パターンとを超音波接合することにより、端子部のリードと他の配線パターンとを電気的に接続するようにした。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、大電流化に対応して絶縁基板の損傷を防止しつつ大面積の接合ができる。また、温度上昇により接合部の強度低下を防止することができる。
【００２０】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】パワーモジュールの斜視図の例である。
【図２】パワーモジュールの展開図の例である。
【図３Ａ】実施例１におけるパワーモジュールの超音波接合前の状態を示すパワーモジュールのリード接合部付近の断面図の例である。
【図３Ｂ】実施例１におけるパワーモジュールの超音波接合中の状態を示すパワーモジュールのリード接合部付近の断面図の例である。
【図３Ｃ】実施例１におけるパワーモジュールの超音波接合後の状態を示すパワーモジュールのリード接合部付近の断面図の例である。
【図４】実施例１におけるパワーモジュールの超音波接合の手順を説明するフロー図である。
【図５】実施例２のパワーモジュールの超音波接合部付近の断面図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１に、本実施例に係るパワーモジュール１００の斜視図を示す。図において、２０はベースであり、放熱性の観点から主に熱伝導性の良いアルミ又は銅又は銅合金などの金属で作られる。２１はケースであり主に形状の複雑さから材質としてプラスチックを用いる。ベース２０とケース２１はねじや接着剤などで固定されている。ベース２０上には基板３が搭載され、その上部に複数のリード７を有する端子部２５が配置され、基板３と端子部２５のリード７は超音波接合により接続されている。ケース２１には外部端子（図示せず）と接続する際に使用するねじ穴２２が設けられており、信号リード２３も設置されている。
【００２４】
図２は図１で説明したパワーモジュール１００の展開図の例である。端子部２５は正極接続端子２５ａ、負極接続端子２５ｂ、交流接続端子２５ｃの３つの端子部材から構成されており各端子部材間には絶縁部材２６ａ、２６ｂが設置され、互いに絶縁された状態になっている。絶縁部材２６ａ、２６ｂは、耐圧の観点から各端子部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃよりやや大きめに設計されており、材質は不織布やプラスチックなどが用いられる。基板３上には配線パターン５が形成されており、その配線パターン５上には半導体素子２７が複数搭載されている。図が煩雑になるので図中には記載していないが、通常配線パターン５や半導体素子２７、信号リード２３などの電気的な接続には多数のワイヤが用いられる。主に材質としてアルミが用いられて直径０．３〜０．５ｍｍのものが使用される。
【００２５】
正極接続端子２５ａの端部には正極接続部２５１aが形成されており、ケース２１に組み込まれた図１の状態でケース２１に形成された負極接続端子部２８ａで図示していない外部端子と接続されている。また、負極接続端子２５ｂの端部には負極接続部２５１ｂが形成されており、ケース２１に組み込まれた図１の状態でケース２１に形成された正極接続端子部２８ｂで図示していない外部端子と接続されている。更に、交流接続端子２５ｃの端部には交流接続部２５１ｃが形成されており、ケース２１に組み込まれた図１の状態でケース２１に形成された交流接続端子部２８ｃで図示していない外部端子と接続されている。
【００２６】
次に、図１及び図２に示したパワーモジュール１００の端子部２５のリードと基板３に形成された配線パターン５との接続部の構造について、図３Ａ乃至図３Ｃを用いて説明する。
【００２７】
図３Ａは、本実施例のパワーモジュール１００の超音波接合部付近の断面図の例であり、図示していない超音波接続装置の受け金具であるアンビル１０に載置した状態を示す。
【００２８】
１はベースであり図１及び図２で説明したベース２０に相当する。ベース１の上にははんだ２を介して基板３が接続されている。基板３は、セラミックなどからなる絶縁基板４と、この絶縁基板４の一方の面の側ではんだ２と接合する金属パターン６と、この金属パターン６が形成された面と反対の面の側に銅による配線パターン５が形成された構成を有している。金属パターン６はベース１とはんだ２で接合するために絶縁基板４のベース１と対向する側の比較的広い面積又は全面に形成されている。銅の配線パターン５上には、正極接続端子２５ａ又は負極接続端子２５ｂ又は交流接続端子２５ｃのリード７が接合されている。
【００２９】
リード７は、全体が材質Ａ：７ａと材質Ｂ：７ｂの２種類の板の合板で構成されている。また、硬度は材質Ａ：７ａに比べて材質Ｂ：７ｂの方が小さくなっており、変形しやすい構造になっている。さらに放熱性からリード７を構成している体積比率は熱伝導率が大きい材質Ａ：７ａが多くなっている。また、少なくともリード７の配線パターンと接する部分においては、材質Ａ：７ａの部分の厚さが材質Ｂ：７ｂの部分の厚さと同じかそれ以上になるように形成されている。材質の組合せの例として、材質Ａ：７ａは銅又は銅合金、材質Ｂ：７ｂは配線パターン５の材料である銅よりも柔らかい材料であるアルミまたはアルミ合金を用いる。
【００３０】
この状態で、図３Ｂに示すように、リード７の上面に超音波接合機（図示せず）のツール８により１００〜４００Ｎの範囲の荷重で押圧しながら周波数２０〜６０ｋＨｚの範囲で水平方向（図３の矢印方向）に超音波振動（振幅１０〜７０μｍ）させる。荷重と超音波振動（振幅）により金属表面にあった汚れや酸化膜を除去し接合される。ツール８の先端には、超音波溶接機のトランスデューサ（図示せず）からの振動をリード７に滑りを起こすことなく伝えるために、複数の角錐状の突起部９が形成されている。この突起部９がツール８による押圧のためにリード７に食い込むことによりリード７に滑りなく効率良く振動を伝えることが出来る。
【００３１】
この状態で、ツール８により押圧されて超音波振動が印加されたリード７とアンビル１０に載置されてリード７が押し付けられている基板３上の配線パターン５との界面には原子拡散が誘起されてリードＢ：７ｂ側の原子と配線パターン５側の原子が相互に拡散して相互金属の原子結合が発生し、図３Ｂに示すようにリードＢ：７ｂと配線パターン５との界面に拡散層７１が形成される。
【００３２】
このとき、銅の配線パターン５よりも柔らかい材質であるアルミニウムまたはアルミニウム合金によるリードＢ：７ｂと配線パターン５との界面に拡散層７１を形成するので、リードＡ：７aと配線パターン５との界面に拡散層を形成する場合に比べてより小さい押圧で拡散層７１を形成することができ、基板３にダメージを発生させることなくリード７と配線パターン５とを確実に接続することができる。
【００３３】
また、リードＢ：７ｂとして融点が比較的高いアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いたことにより、接合部は軟化することなく、長時間安定な接合強度を維持することができる。
【００３４】
このツール８によりリード７を押圧しながら超音波振動を印加して超音波接合を開始してから一定の時間を経過した時点で超音波振動の印加を停止することによりリード７と基板３上の配線５との超音波接合が完了する。また、超音波接合はリード７の変形が進むことにより進行していくのでツール８の移動量でも超音波振動印加の終点を検出することができる。さらに、超音波接合の終点は、印加圧力と印加周波数及び振幅により求められる接合エネルギをモニタして、この接合エネルギがある量に達した時点で終了とすることにより検出することができる。
【００３５】
上記のようにいずれかの方法で超音波接合の終点を検出して超音波振動の印加を停止すると、ツール８によるリード７の配線パターン５への押圧を停止し、図３Ｃに示すようにツール８上昇させて配線パターン５から引き離して超音波接合工程を終了する。
【００３６】
この一連の動作の流れを、図４に示す。
【００３７】
先ず、端子部２５の各リード７がそれぞれ基板３の配線パターン５上に設置された状態のパワーモジュール１００を超音波接続装置（図示せず）のアンビル１０に載置する（Ｓ１０１）。次に、超音波接続装置（図示せず）のツール８が下降して端子部２５のリード７のリードＢ：７ｂの面を配線パターン５に押し付ける（Ｓ１０２）。次に超音波接続装置（図示せず）により超音波振動を発生させてツール８を介して端子部２５のリード７を配線パターン５に押し付けた状態でリード７に超音波振動を印加する（Ｓ１０３）。端子部２５のリード７のリードＢ：７ｂの面を配線パターン５に押し付けた状態で超音波振動させることにより、リードＢ：７ｂと配線パターン５との界面に拡散層を形成させる（Ｓ１０４）。超音波接合の終点を検出して超音波振動の印加を停止する（Ｓ１０５）。このときの終点の検出の方法は、前記した３方法のうちの何れかの方法で行う。
【００３８】
次に、ツール８を上昇させてリード７の押さえ付けを解除する（Ｓ１０６）。次に、パワーモジュール１００のリード７と配線パターン５との間で更に接続すべき点が残っていないかをチェックし（Ｓ１０７），残っていない場合にはリード７と配線パターン５との超音波接合を終えたパワーモジュール１００を超音波接続装置（図示せず）のアンビル１０から取出して（Ｓ１０８）、一連の作業を終了する。一方、パワーモジュール１００のリード７と配線パターン５との間で更に接続すべき点が残っていた場合には、図示していないハンドリング装置でリード７と配線パターン５とが未接続な箇所が超音波接続装置（図示せず）のアンビル１０上に位置するようにパワーモジュール１００の位置を調整し（Ｓ１０９）、Ｓ１０２からの工程を実行する。
【００３９】
なお、図３Ａ乃至図３Ｃに示した例においては、リード７がリードＡ：７ａの板とリードＢ：７ｂの板とを積層して形成した例について説明したが、リードＡ：７ａの上にリードＢ：７ｂをメッキにより積層構造を形成しても良い。
【００４０】
上記のように構成することにより、リードの接合面が変形しやすく、大電流化に対応して絶縁基板の損傷を防止しつつ大面積の接合ができる。また、温度上昇により接合部の強度低下を防止することができる。
【実施例２】
【００４１】
本実施例では、リードの構造の例を説明する。
【００４２】
図５は、本実施例のパワーモジュールの超音波接合部付近の断面図の例である。
【００４３】
リード７０は、接合部付近を材質Ｂ：７０ｂ、それ以外を材質Ａ：７０ａの２種類の板で構成されている。また、硬度は材質Ａ：７０ａに比べて材質Ｂ：７０ｂの方が小さくなっており変形しやすい構造になっている。さらに放熱性からリード７０を構成している体積比率は熱伝導率が大きい材質Ａ：７０ａが多くなっている。
【００４４】
上記のように構成することにより、リードの接合面が変形しやすく、大電流化に対応して絶縁基板の損傷を防止しつつ大面積の接合ができる。また、温度上昇により接合部の強度低下を防止することができる。さらに実施例１に比べてツールの食い込み性が向上するのでより接合性の安定化を図ることができる。
【００４５】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【００４６】
また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００４７】
さらに、実施例で説明した材質の組合せ以外でも実施例内の条件に合致すれば使用できるのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４８】
５・・・配線パターン    ７，７０・・・リード    ７ａ，７０ａ・・・材質Ａ      ７ｂ，７０ｂ・・・材質Ｂ    ８・・・ツール    ９・・・突起部    １０・・・アンビル。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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