JP2012039018A - 電子機器とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
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未接合部の少ない良好な接合が可能な技術を提供することにある。
【解決手段】
超音波接合前にリードの配線パターンに接合される接続部の一方の面を、凸状に湾曲させ、凸状の面を配線パターンに向けた状態で、凸状の面とは反対の面に超音波印加手段を押圧して超音波を引加し、リードと配線パターンとを超音波接合することにより、未接合部の生成を抑えて超音波接合を行うことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、絶縁基板上に複数個の半導体素子を搭載し、配線パターンに超音波接合によりリードフレームを接続する電子機器（特にパワーモジュール）とその製造方法に関するものである。

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を用いていた。

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。

図８、９を用いて説明する。図８は、配線パターン１とリード２の接合界面の接合状態の遷移を示す。状態１は、基板３上にリード２が設置されホーン（図示せず）に設置されたツール４の先端がある接合準備状態である。そして、リード２の上面からツール４で押圧しながら所定の周波数で水平方向に超音波振動させる。押圧と超音波振動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４の先端には、ホーンの振動をリード２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５が形成されている。この突起部５がリード２に食い込むとこによりリード２に滑りなく振動を伝えることが出来る。状態２は、接合が開始間もない状態のイメージ図である。接合が開始されたので未接合部７は、少し減少を始めている。状態３は、接合終了時の状態を表している。リード２はツールの押圧と振動により変形し、未接合部７はまばらに存在している。図９はリードの引張り強度試験後の配線パターン１上に残ったリード２の圧痕１９を示す。未接合部７は圧痕１９の中央部に存在していることがわかる。このように未接合部が残ってしまう原因として、酸化膜の厚さや表面の汚れ、ミクロ的に見た表面の凹凸などが考えられる。

このような未接合部が存在すると接合強度が低下し信頼性も低下するなど製品品質のバラツキを大きくすることになる。未接合部を低減し良好な接合をする方法として、柔らかい（ビッカース硬度８０以下）リードを用いて変形しやすくさせる方法がある。(特許文献１参照)また、リードの接合面に酸化膜厚以上の高さを持つ突起を設けることにより酸化膜を積極的に破壊する方法がある。(特許文献２参照)

特許第３５２４３６０号 特開２００５−２５９８８０号

しかし、特許文献１の方法では、ＪＩＳ規格で規定されている硬度には幅があり（例えば、無酸素銅１／４Ｈのビッカース硬度（参考値）：５５〜１００）、同じ名称の材質を購入しても硬度に約２倍の差があり安定した品質を確保するのが困難である。

また、特許文献２の方法では、リードの接合面に酸化膜厚以上の突起（加工性を考慮して５０μm程度）を複数設けるにはいろいろな方法があるがコストがかかるという問題があった。

本発明の目的は、上記記載した従来技術の課題を解消し、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良好な接合が可能な技術を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、超音波接合前にリードの配線パターンに接合される接続部の一方の面を凸状に湾曲させ、凸状の面を配線パターンに向けた状態で、凸状の面とは反対の面に超音波印加手段を押圧して超音波を引加し、リードと配線パターンとを超音波接合する。

本発明では、配線とリードを超音波接合により接続する際に未接合部を低減させ良好な接合を行い、接合品質の安定化と生産性の向上を図ることができる。

本発明の第一の実施例の接合状態の遷移の接合イメージ図である。 本発明の第一の実施例に係るパワーモジュールの斜視図である。 本発明の第一の実施例に係るパワーモジュールの展開図である。 本発明の第一の実施例のリードの部分拡大図と断面形状である。 本発明の第一の実施例の引張り強度試験後の基板側の破面である。 本発明の第二の実施例のリード形状である。 本発明の第三の実施例のリード形状である。 従来の接合状態の遷移の接合イメージ図である。 従来の方式で接合した引張り強度試験後の基板側の破面である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図２は本発明の第一の実施例に係るパワーモジュールの斜視図である。ベース８は、筐体の底面を形成しており、放熱性の観点から主に熱伝導性の良いアルミや銅や銅合金などで作られる。ケース９は、筐体の側面を形成しており、形状の複雑さからプラスチックが主流である。ベース８とケース９とは、ねじや接着剤などで固定されている。ベース８上には基板３が搭載され、その上にリード２が配置され、基板３とリード２の接続部は超音波接合により接続されている。ケース９には外部端子（図示せず）と接続する際に使用するねじ穴１０が設けられており、信号リード１１も設置されている。

図３は本発明の第一の実施例に係るパワーモジュールの展開図である。リード２はリード２ａ、２ｂ、２ｃの３本から構成されており各リード間には絶縁部材１２ａ、１２ｂが設置されている。絶縁部材１２は、耐圧の観点からリード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１があり、その配線パターン１上には半導体素子１３が複数搭載されている。図中には記載していないが、通常、配線パターン１や半導体素子１３、信号リード１１などの電気的な接続には多数のワイヤが用いられる。ワイヤには、主にアルミ製の直径０．３〜０．５ｍｍのものが使用される。

図４は、本発明の第一の実施例のリード２の部分拡大図とＡ−Ａ’ラインでの代表的なリードの断面形状である。リード先端１４は、短辺方向に湾曲している。リード先端１４の断面形状は、平板から切り出す方法や湾曲させる荷重により形状が異なってくる。断面Ａは、主にワイヤカット法により切り出された場合や湾曲させるときの荷重が大きい場合などの形状である。上面と下面のエッジがきちんと形成され、ほぼ平行に上下面が形成され、折り曲げ金型と接触する上面の押圧面１５がほぼ全面に形成されている。一方、断面Ｂは、主に切断型による打抜きにより切り出された平板の切断によりダレた面を下向きにした場合や湾曲させるときの荷重が小さい場合などの形状である。折り曲げ金型と接触する上面の押圧面１５が中央部しかなく、押圧面１５よりも曲率の小さい未押圧面１６が左右に存在している。

図１は本発明の第一の実施例の接合状態の遷移の接合イメージ図である。状態１は、基板３上にリード２が設置されホーン（図示せず）に設置されたツール４の先端がある接合準備状態である。そして、リード２の上面からツール４で押圧しながら所定の周波数で水平方向に超音波振動させる。押圧と超音波振動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４の先端には、ホーンの振動をリード２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５が形成されている。この突起部５がリード２に食い込むとこによりリード２に滑りなく振動を伝えることが出来る。

状態２は、接合当初の状態のイメージ図である。接合が開始されリード２の中央部から接合が始まっている。ツール４による押圧が、面積が小さい中央部に集中しているので、リード２と基板と間の押圧力が大きく、未接合部７を少なくして接合することができる。そして接合中は、リードが中央部から徐々に平らに変形していき、接合部６も徐々に中央部より広がって成長する。このときに、リード２の接合前の部分は、曲面から平面に変形するように応力が働いており、その応力に反発する弾性力が働く。その弾性力は、曲面の端、すなわちリードが基板と接している領域の端の部分６ａに大きく作用し、この部分に基板に押し付ける方向に大きな力が働く。この部分６ａは、接合が起こり新たに接合部になろうとしている部分であるため、接合される部分は未接合部が生じにくくなる。そして、弾性力が大きく作用する部分６ａは、接合が進むに従って徐々に外側に移動していき、未接合の原因となる酸化物が外側に押し出されていく。こうして徐々に未接合部が少ない接合部６が形成されていく。また、ツール４は、接合が進むにつれて基板の方向に進んでいく。

図８に示す従来の接合では、リード２ｅの下面全域に接合の全時間にわたってほぼ均等に押圧が加わるため、面積あたりの押圧は小さく、未接合部６ができやすい。

図１の状態３は、接合終了時の状態を表している。リード２はツールの押圧と振動により、接合前よりも平面に近づくように変形しており、接合部６の両側でありリード２の端には、接合できず基板と空隙を有して対向している端部未接合部７ａが残っている。しかしながら、接合部内に点在する未接合部は、従来より低減した状態で接合が完了しており、従来よりも強固な接合となっている。

図５は本発明の第一の実施例の接合後のリード上面とリードの引張り強度試験後の基板側の代表的な破面である。上の写真は、接合後のリード上面であり、下の６枚の写真は、基板側の破面であり、接合は３つの接合エネルギーで２回ずつ行った。リード２の上面にはツール先端の突起部の跡が残っている。破面の写真中には点線でリード初期形状の大きさを表している。この破面形状の違いは主に接合エネルギーの違いによる影響で接合がリードの中央部から始まっていることが良くわかる。また、図９に比べて未接合部が低減されていることがわかる。

上記のように構成することにより、リードの中央部より接合が開始され未接合部の低減することができる。また、未接合部を低減できるので接合強度の安定化と温度サイクル信頼性の向上も図ることができる。

図６は本発明の第二の実施例のリード形状である。リード先端１４は、長手方向に湾曲している点が第一の実施例と異なっており、他は第一の実施例と同様であり、同様の作用効果を奏する。リード先端１４は、幅よりも長さ方向（長手方向）が長い形状をしているが、この方向に湾曲させることにより、第一の実施例に比べて接合初期に配線パターンを接触している面積が小さくできるので、初期荷重を小さくし、より安定した接合が可能である。

上記のように構成することにより、リードの中央部より接合が開始され未接合部の低減することができる。また、未接合部を低減できるので接合強度の安定化と温度サイクル信頼性の向上も図ることができる。

図７は本発明の第三の実施例のリード形状である。リード先端１４は、長手方向にＶ字状に屈曲している点が、第二の実施例と異なっており、他は第二の実施例と同様であり、同様の作用効果を奏する。Ｖ字状に屈曲させることにより第二の実施例に比べて接合初期に配線パターンを接触している面積がさらに小さくできるので、初期荷重を小さくし、より安定した接合が可能である。さらにリードの折り曲げ金型を単純化でき、金型コストを低減できる効果もある。

上記のように構成することにより、リードの中央部より接合が開始され未接合部の低減することができる。また、未接合部を低減できるので接合強度の安定化と温度サイクル信頼性の向上も図ることができる。

１…配線パターン、２…リード、３…基板、４…ツール、５…突起部、６…接合部、６ａ…接合端 ７ａ…未接合部、７ｂ…端部未接合部、１４…リード先端、１７…ツール跡、１８…リード初期形状。

Claims (12)

1. 基板上に形成した配線パターンと、
   前記配線パターン上に搭載した半導体素子と、
   金属板から形成され、前記配線パターンに超音波接合により接続された接続部を有するリードフレームを有する電子機器において、
   前記リードフレームの接続部は、前記配線パターンに接合される接合領域と、当該接合領域の両側に形成され、前記配線パターンに空隙を有して対向する端部未接合領域とを備えたことを特徴とする電子機器。
2. 請求項１において、
   前記リードフレームは、リードフレーム本体と、前記リードフレーム本体から突出し、前記配線パターンに接続されている前記接続部を有するリード先端部とを有し、
   前記端部未接合領域は、前記リード先端部の幅方向における前記接合領域の両側に形成されていることを特徴とする電子機器。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記リードフレームは、リードフレーム本体と、前記リードフレーム本体から突出し、前記配線パターンに接続されている前記接続部を有するリード先端部とを有し、
   前記端部未接合領域は、前記リード先端部の長手方向における前記接合領域の両側に形成されていることを特徴とする電子機器。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記電子機器は、
   前記配線パターンが形成された基板と、
   前記基板及び前記半導体素子を内蔵する筐体と、
   当該筐体に設けられ、前記配線パターン、前記リード、または前記半導体素子に電気的に接続される端子とを備えたパワーモジュールであることを特徴とする電子機器。
5. 配線パターンと、
   前記配線パターンに超音波接合されたリードとを備えた電子機器の製造方法において、
   前記超音波接合前の前記リードは、前記配線パターンに接合される接続部の一方の面が凸状に湾曲しており、
   前記凸状の面を前記配線パターンに向けた状態で、前記凸状の面とは反対の面に超音波印加手段を押圧して超音波を印加し、前記リードと前記配線パターンとを接合することを特徴とする電子機器の製造方法。
6. 請求項５において、
   前記超音波接合前の前記リードの前記凸状の面とは反対の面は、凹状に湾曲していることを特徴とする電子機器の製造方法。
7. 請求項５または請求項６において、
   前記リードは、金属板から形成されたものであることを特徴とする電子機器の製造方法。
8. 請求項に６おいて、
   平坦な前記リードの接続部を曲げ、前記凸状の面及び前記凹状の面を形成する工程とを含むことを特徴とする電子機器の製造方法。
9. 請求項６において、
   金属板から前記リードフレームを打ち抜き切り出しをすることにより、前記凸状の面及び前記凹状の面を形成する工程とを含むことを特徴とする電子機器の製造方法。
10. 請求項６において、
    前記凹状の面は、その中心部よりも曲率が小さい端部を有することを特徴とする電子機器の製造方法。
11. 請求項５乃至１０のいずれかにおいて、
    前記リードフレームは、リードフレーム本体と、前記リードフレーム本体から突出し、前記配線パターンに接続されている前記接続部を有するリード先端部とを有し、
    前記凸状の湾曲は、前記リード先端部の幅方向に湾曲するように形成されていることを特徴とする電子機器の製造方法。
12. 請求項５乃至１０のいずれかにおいて、
    前記リードフレームは、リードフレーム本体と、前記リードフレーム本体から突出し、前記配線パターンに接続されている前記接続部を有するリード先端部とを有し、
    前記凸状の湾曲は、前記リード先端部の長手方向に湾曲するように形成されていることを特徴とする電子機器の製造方法。

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