(57)【要約】  金属パターン（５）に半導体チップ（６，７）が接続されている。電極（９）のダレ面（１５）が金属パターン（５）に接合されている。電極（９）のカエリ面（１６）の端部にカエリ（２０）が存在する。カエリ面（１６）の端部のつぶれ量が１０μｍ以下である。
2020084691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属パターンに半導体チップを接続する工程と、
電極をプレス抜きで形成する工程と、
前記電極のカエリ面をカメラで認識して超音波接合ツールを押し当てて前記電極のダレ面を前記金属パターンに超音波接合する工程とを備え、
前記カエリ面の端部にカエリが存在し、
前記カエリ面の前記端部のつぶれ量が１０μｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
金属パターンに半導体チップを接続する工程と、
電極をプレス抜きで形成する工程と、
前記電極のカエリ面の角部にマーキング形状を形成する工程と、
前記マーキング形状を形成した前記カエリ面をカメラで認識して超音波接合ツールを押し当てて前記電極のダレ面を前記金属パターンに超音波接合する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記マーキング形状を機械加工により形成することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
金属パターンと、
前記金属パターンに接続された半導体チップと、
前記金属パターンに接合されたダレ面と、端部にカエリが存在するカエリ面とを有する電極とを備え、
前記カエリ面の前記端部のつぶれ量が１０μｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
金属パターンと、
前記金属パターンに接続された半導体チップと、
前記金属パターンに接合されたダレ面と、端部にカエリが存在するカエリ面とを有する電極とを備え、
前記カエリ面の角部にマーキング形状が設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
前記マーキング形状はＬ字形状であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体チップはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項４〜６の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
請求項４〜７の何れか１項に記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記半導体装置を駆動する駆動信号を前記半導体装置に出力する駆動回路と、
前記駆動回路を制御する制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路とを備えた電力変換装置。
【請求項９】
請求項８に記載の電力変換装置を用いて電力制御を行うことを特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極が金属パターンに接合された半導体装置の製造方法、半導体装置、電力変換装置、及び移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
電極をプレス抜きで形成する（例えば、特許文献１（段落００１２、図２）参照）と、電極のダレ面の反対側がカエリ面となる。電極のダレ面を金属パターンに超音波接合する際に、電極のカエリ面に光を当て超音波接合装置のカメラで画像認識し位置合わせを行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】日本特開平０９−３１２３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
プレス抜きの際に順送金型内でカエリ面を意図せずにプレスし、カエリをつぶしてしまうことがある。この場合、カメラ画像で電極の外周がぼやけて、電極の形状を明瞭に画像化できず誤認識してしまう場合があった。従って、超音波接合の接合品質が低下するため、信頼性が損なわれるという問題があった。また、認識エラーで装置の動作が止まるなどの支障を来たすこともあった。従って、電極の超音波接合作業に時間を要し、常に作業員が張り付く必要があって工数を削減できず、自動化への移行が困難であった。この結果、生産効率が低下するという問題があった。【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は信頼性と生産効率を向上することができる半導体装置の製造方法、半導体装置、電力変換装置、及び移動体を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る半導体装置は、金属パターンと、前記金属パターンに接続された半導体チップと、前記金属パターンに接合されたダレ面と、端部にカエリが存在するカエリ面とを有する電極とを備え、前記カエリ面の前記端部のつぶれ量が１０μｍ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、カエリ面の端部のつぶれ量を１０μｍ以下にする。これにより、電極の誤認識を防ぎ、超音波接合の接合品質が向上する。この結果、信頼性と生産効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。
【図２】電極を示す斜視図である。
【図３】電極を示す側面図である。
【図４】図３の円で囲んだ部分を拡大した斜視図である。
【図５】電極の断面図である。
【図６】電極の切断部分を拡大した斜視図である。
【図７】電極のダレ面を金属パターンに超音波接合する様子を示す断面図である。
【図８】電極のカエリ面を金属パターンに超音波接合する様子を示す断面図である。
【図９】実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１０】実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１１】カエリ面の端部のつぶれ量が１０μｍ以下の電極を示す断面図である。
【図１２】カエリ面の端部のつぶれ量が１０μｍより大きい電極を示す断面図である。
【図１３】カエリ面の端部のつぶれ量とカメラによる認識の可否を調べた実験データを示す図である。
【図１４】実施の形態２に係る半導体装置の電極を示す斜視図である。
【図１５】実施の形態３に係る半導体装置の電極を示す斜視図である。
【図１６】実施の形態４に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【図１７】実施の形態５に係る移動体を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態に係る半導体装置の製造方法、半導体装置、電力変換装置、及び移動体について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。放熱板１に絶縁基板２の下面の金属パターン３がはんだ４により接合されている。絶縁基板２の上面の金属パターン５に半導体チップ６，７の下面電極が接続されている。半導体チップ６，７の上面電極は互いにワイヤ８で接続されている。電極９が金属パターン５に超音波接合されている。絶縁基板２及び半導体チップ６，７等を囲むように放熱板１にケース１０が接着剤１１により接着されている。ケース１０内において絶縁基板２及び半導体チップ６，７等は封止材１２により封止されている。ケース１０の上にフタ１３が接着剤１４により接着されている。フタ１３から電極９の一部が取り出されている。
【００１１】
図２は、電極を示す斜視図である。図３は、電極を示す側面図である。図４は図３の円で囲んだ部分を拡大した斜視図である。図５は電極の断面図である。図６は電極の切断部分を拡大した斜視図である。電極９は、順送金型を用いたプレス抜きで形成する。電極９のダレ面１５の反対側がカエリ面１６となる。プレス抜きした電極９の切断面にせん断部１７と破断部１８が存在する。ダレ面１５の端部にダレ１９が存在する。電極９のカエリ面１６の端部にカエリ２０が存在する。カエリ２０はバリとも呼ばれる。
【００１２】
超音波接合では、金属同士を接触させ超音波振動と振幅によって金属表面の酸化膜と汚れ等を破壊し金属表面の清浄化面同士を加圧によって接合する。接合面積が大きいほど超音波接合の接合品質が高くなる。図７は、電極のダレ面を金属パターンに超音波接合する様子を示す断面図である。電極９のダレ面１５の中央部が金属パターン５に接触し、接合面積が大きくなる。図８は、電極のカエリ面を金属パターンに超音波接合する様子を示す断面図である。カエリ２０の部分だけが金属パターン５に接合されるため、接合面積が小さくなる。そこで、本実施の形態では電極９のダレ面１５を金属パターン５に超音波接合する。
【００１３】
続いて、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。図９及び図１０は、実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。絶縁基板２の金属パターン５に半導体チップ６，７を接続する。電極９をプレス抜きで形成する。次に、図９に示すように、電極９のカエリ面１６に光を当ててカエリ面１６を超音波接合装置のカメラ２１で画像認識し位置合わせを行う。そして、図１０に示すように、超音波接合ツール２２を電極９のカエリ面１６に押し当てて電極９のダレ面１５を金属パターン５に超音波接合する。
【００１４】
ここで、電極９のプレス抜きを行うと、電極９の切断した端部全体にカエリ２０が形成される。ステージが進む度にストリッパプレートとダイプレートでカエリ２０が何度かつぶされる。これにより、カエリ２０の大部分はつぶされ、カエリ面１６の端部が数μｍレベル凹まされる。カエリ面１６の端部のつぶれ量が大きいとカメラ画像で電極９の外周がぼやけて、電極９の形状を明瞭に画像化できず誤認識が発生し、接合プロセスに支障をきたす。ここで、つぶれ量とは、カエリ面１６の中央部の平坦面からカエリ面１６の端部のつぶれた部分の底までの高さの差である。
【００１５】
図１１は、カエリ面の端部のつぶれ量が１０μｍ以下の電極を示す断面図である。図１２は、カエリ面の端部のつぶれ量が１０μｍより大きい電極を示す断面図である。図１３は、カエリ面の端部のつぶれ量とカメラによる認識の可否を調べた実験データを示す図である。カエリ面１６の端部のつぶれ量が１３〜２０μｍの場合には誤認識が発生し、７〜１０μｍの場合には電極９を正しく認識できた。従って、本実施の形態では、電極９のプレス抜き工程においてプレスのストローク量とスピードを最適化することで、カエリ面１６の端部のつぶれ量を１０μｍ以下にする。これにより、電極９の誤認識を防ぎ、超音波接合の接合品質が向上する。この結果、信頼性と生産効率を向上することができる。
【００１６】
実施の形態２．
図１４は、実施の形態２に係る半導体装置の電極を示す斜視図である。本実施の形態では、超音波接合ツール２２が押し当てられる電極９のカエリ面１６の角部、例えば四隅又は対角２か所に、カメラ認識可能なマーキング形状２３が設けられている。マーキング形状２３は、ハーフエッチングなどで形成された丸形状の凹みである。このような物理的な凹みを施すことで、電極９の視認性とカメラ認識精度が更に向上するため、接合品質と生産効率が更に向上する。
【００１７】
超音波接合された電極９のカエリ面１６の実際の画像を確認すると、カエリ２０及びマーキング形状２３は、超音波接合ツール２２が当たって部分的に変形するが、接合後にも識別可能な程度には残っていた。
【００１８】
なお、マーキング形状２３は、ポンチなどの機械加工で形成してもよいし、円錐形状又は角錐形状などでもよい。マーキング形状２３を機械加工により形成することで、マーキング形状２３が明瞭になり、電極９の視認性とカメラ認識精度が更に向上する。また、定量管理も可能となる。
【００１９】
実施の形態３．
図１５は、実施の形態３に係る半導体装置の電極を示す斜視図である。本実施の形態では、マーキング形状２３はＬ字形状である。このマーキング形状２３は深さ０．５ｍｍ程度の溝であり、機械加工で形成する。Ｌ字のマーキング形状２３により、電極９の視認性とカメラ認識精度が更に向上する。
【００２０】
実施の形態１−３において、半導体チップ６，７は珪素によって形成されたＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、Ｄｉｏｄｅ又はＳＢＤなどである。ただし、半導体チップ６，７は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたパワー半導体素子は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された素子を用いることで、この素子を組み込んだ半導体モジュールも小型化できる。また、素子の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体モジュールを更に小型化できる。また、素子の電力損失が低く高効率であるため、半導体モジュールを高効率化できる。また、本実施の形態に係る半導体装置であれば、高温環境で使用された場合でも、電極９の超音波接合寿命を安定的に担保することができる。
【００２１】
実施の形態４．
本実施の形態は、上述した実施の形態１〜３にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。電力変換装置は、例えば、インバータ装置、コンバータ装置、サーボアンプ、電源ユニットなどである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
【００２２】
図１６は、実施の形態４に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。この電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００を備える。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができ、交流系統に接続された整流回路又はＡＣ／ＤＣコンバータで構成してもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成してもよい。
【００２３】
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１の各スイッチング素子を駆動する駆動信号を出力する駆動回路２０２と、駆動回路２０２を制御する制御信号を駆動回路２０２に出力する制御回路２０３とを備えている。
【００２４】
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベータ、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
【００２５】
以下、電力変換装置２００を詳細に説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子は、上述した実施の形態１〜３の何れかに相当する半導体装置によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
【００２６】
駆動回路２０２は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
【００２７】
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、駆動回路２０２に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
【００２８】
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１の各スイッチング素子を、上述した実施の形態１〜３の何れかに相当する半導体装置によって構成する。これにより、信頼性と生産効率を向上することができる。
【００２９】
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベル又はマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータ又はＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
【００３０】
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機、レーザー加工機、又は誘導加熱調理器もしくは非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システム又は蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
【００３１】
実施の形態５．
図１７は、実施の形態５に係る移動体を示す図である。この移動体４００は電車等であり、実施の形態４に係る電力変換装置２００を用いて電力制御を行う。これにより、信頼性と生産効率を向上することができる。
【符号の説明】
【００３２】
５  金属パターン、６，７  半導体チップ、９  電極、１５  ダレ面、１６  カエリ面、２０  カエリ、２１  カメラ、２２  超音波接合ツール、２３  マーキング形状、２００  電力変換装置、２０１  主変換回路、２０２  駆動回路、２０３  制御回路、４００  移動体
【図１】
2020084691.tif 000003
【図２】
2020084691.tif 000004
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2020084691.tif 000015
【図１４】
2020084691.tif 000016
【図１５】
2020084691.tif 000017
【図１６】
2020084691.tif 000018
【図１７】
2020084691.tif 000019
【国際調査報告】
2020084691.tif 000020
2020084691.tif 000021
2020084691.tif 000022