JP2013226580A - Ultrasonic vibration joining apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、超音波振動によって金属端子などを重ね合わせて接合する超音波振動接合装置に関し、特に、超音波振動接合装置に含まれる超音波接合ツールの構造に関する。 The present invention relates to an ultrasonic vibration joining apparatus that superimposes and joins metal terminals or the like by ultrasonic vibration, and particularly relates to the structure of an ultrasonic joining tool included in the ultrasonic vibration joining apparatus.
超音波振動接合装置では、基材（接合材）をアンビル（Anvil:固定台）に載せて固定する。基材の上には被接合材が載置され、被接合材の上にはホーン（超音波接合ツール）が下降する。ホーンは、基材に対して被接合材を押圧しながら、所定の周波数で被接合材を水平方向に超音波振動させる。この結果、押圧と超音波振動による摺動が相まって、基材と被接合材の接合面から金属表面の酸化物やその他の汚れが除去される。更に、摩擦発熱により材料の塑性流動が活性化され、接合面積が拡大するとともに、金属原子間で接合が進展する。ホーンをアンビルに向けて移動させる代わりに、アンビルをホーンに向けて移動させて加圧する装置も考案されている。 In the ultrasonic vibration bonding apparatus, a base material (bonding material) is placed on an anvil (anvil) and fixed. A material to be bonded is placed on the base material, and a horn (ultrasonic bonding tool) is lowered on the material to be bonded. The horn ultrasonically vibrates the material to be bonded at a predetermined frequency while pressing the material to be bonded against the base material. As a result, the pressing and the sliding due to the ultrasonic vibration are combined, and the metal surface oxide and other dirt are removed from the joint surface between the base material and the material to be joined. Furthermore, the plastic flow of the material is activated by the frictional heat generation, the bonding area is expanded, and the bonding progresses between the metal atoms. Instead of moving the horn toward the anvil, an apparatus has also been devised that moves the anvil toward the horn and pressurizes it.
基材には、例えば回路パターンが形成された絶縁基板が用いられる。被接合材には、例えば引出端子が該当する。引出端子は、回路パターンである電極箔に電気的および機械的に接続されている。回路パターンの一部として形成された電極部分と、引出端子である電極端子は、超音波振動によって機械的および電気的に接合される。 As the base material, for example, an insulating substrate on which a circuit pattern is formed is used. For example, a lead terminal corresponds to the material to be joined. The lead terminal is electrically and mechanically connected to an electrode foil that is a circuit pattern. The electrode portion formed as a part of the circuit pattern and the electrode terminal which is the lead terminal are mechanically and electrically joined by ultrasonic vibration.
超音波振動接合装置では、ホーンの振動を被接合材に滑りをおこすことなく伝えるために、ホーンの加圧面には複数の角錐状の突起部が形成されている。接合工程において、被接合材の表面にはホーンの突起部が食い込む。被接合材は突起部によってホーンに対して固定される。超音波接合する際に基材側に発生する負荷を低減し、基材の損傷を最小限にとどめるために、様々な対策が考えられてきた。 In the ultrasonic vibration bonding apparatus, a plurality of pyramid-shaped protrusions are formed on the pressing surface of the horn in order to transmit the vibration of the horn to the material to be bonded without slipping. In the joining process, the projection of the horn bites into the surface of the material to be joined. The material to be joined is fixed to the horn by the protrusion. Various measures have been considered in order to reduce the load generated on the substrate side during ultrasonic bonding and minimize damage to the substrate.
例えば、特許文献１は、Ａｌ（Ａｌ合金を含む）と他の金属とを超音波接合する場合を扱っている。接合部材に大きな損傷を与えることなく高強度に接合するために、接合界面にはクッション材の役割を果たす柔らかい低融点金属のＳｎまたはＩｎ金属が予め配置される。両接合部材に加熱と荷重と超音波を加えると、低融点金属は溶融排出され、両接合部材が接合される。 For example, Patent Document 1 deals with the case of ultrasonically bonding Al (including an Al alloy) and another metal. In order to join with high strength without damaging the joining member, Sn or In metal, which is a soft low-melting-point metal serving as a cushioning material, is previously arranged at the joining interface. When heating, a load, and an ultrasonic wave are applied to both joining members, the low melting point metal is melted and discharged, and both joining members are joined.
特許文献２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）などのパワー半導体モジュールを対象にしている。銅回路の一部としてセラミック基板上に直接形成される接合端子に対して、半導体チップの電極端子をワイヤボンデイングにより接続する場合、接合端部の材料のビッカース硬度（Ｈｖ）が８０よりも大きいと、セラミック基盤にダメージが生じることが記載されている。材料の望ましいビッカース硬度は８０以下、好ましくは６０以下とされる。 Patent Document 2 is directed to power semiconductor modules such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and IEGTs (Injection Enhanced Gate Transistors). When the electrode terminals of the semiconductor chip are connected by wire bonding to the joint terminals directly formed on the ceramic substrate as a part of the copper circuit, the Vickers hardness (Hv) of the material of the joint end is greater than 80. It is described that the ceramic substrate is damaged. The desired Vickers hardness of the material is 80 or less, preferably 60 or less.
特許文献３には、電力半導体チップの電極と配線との接合強度を増すために、電極と配線の少なくとも一方の表面を凹凸形状に形成することが記載されている。両者は凹凸形状の表面を介して圧接接合される。低い荷重で接合面を変形させることで、接合時に必要な荷重が低減するとともに、回路パターンに対する電極端子接合面の傾きが生じた場合でも、必要な接合強度が得られる。 Patent Document 3 describes that at least one surface of the electrode and the wiring is formed in an uneven shape in order to increase the bonding strength between the electrode and the wiring of the power semiconductor chip. Both are pressure-bonded through an uneven surface. By deforming the joint surface with a low load, the load required at the time of joining is reduced, and the necessary joint strength can be obtained even when the electrode terminal joint surface is inclined with respect to the circuit pattern.
特許文献４は、半導体パッケージのリードを電極パッドに超音波ボンディングする場合を対象にしている。半導体実装基板に形成された電極パッドの中央部位には、同パッドに超音波ボンディングされるアウタリードよりも幅の狭い凸部を設ける。この半導体実装基
板を用いると、超音波接合ツールに加えられる荷重が減少し、超音波接合ツールの寿命が延びる。
Patent Document 4 is directed to a case where the lead of a semiconductor package is ultrasonically bonded to an electrode pad. At the central part of the electrode pad formed on the semiconductor mounting substrate, a convex portion having a width smaller than that of the outer lead that is ultrasonically bonded to the pad is provided. When this semiconductor mounting substrate is used, the load applied to the ultrasonic bonding tool is reduced, and the life of the ultrasonic bonding tool is extended.
このような構造を有する超音波振動接合装置では、電極端子の接合面に傾きが生じると電極端子の外周部が超音波接合ツールとの第一接触点となる。接合面の外周部が接触圧力の最大点となるため、局所的に回路パターンに対する電極端子の食い込みが生じる。接合部材および接合面近傍の部材に過大な負荷が発生すると接合部材が損傷する場合が想定される。一方で、電極端子の食い込みによる損傷を低減するために接合荷重を低くすると、接合面積が小さくなり、接合強度が低下する。そこで、回路パターンに対する電端子の局所的な食い込みを抑制すること、かつパワー半導体装置の繰返し熱変形に対して永久的な接続を得るために十分な接合面積を得ることが課題となる。 In the ultrasonic vibration bonding apparatus having such a structure, when an inclination occurs in the bonding surface of the electrode terminal, the outer peripheral portion of the electrode terminal becomes a first contact point with the ultrasonic bonding tool. Since the outer peripheral portion of the joint surface becomes the maximum point of contact pressure, the electrode terminal bites into the circuit pattern locally. When an excessive load is generated on the joining member and the member in the vicinity of the joining surface, the joining member may be damaged. On the other hand, if the bonding load is lowered in order to reduce the damage caused by the biting of the electrode terminal, the bonding area is reduced and the bonding strength is reduced. Therefore, it is a problem to suppress a local biting of the electric terminal with respect to the circuit pattern and to obtain a sufficient bonding area for obtaining a permanent connection against repeated thermal deformation of the power semiconductor device.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、超音波接合時において接合部材に発生する負荷の低減を目的とする。特に回路パターンに対して電極端子接合面の傾きが生じた場合でも、電極端子との接触面に回路パターンに対する電極端子の食い込みを回避できる超音波接合を目標とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to reduce a load generated on a joining member during ultrasonic joining. In particular, even when the electrode terminal bonding surface is inclined with respect to the circuit pattern, ultrasonic bonding that can avoid biting of the electrode terminal with respect to the circuit pattern on the contact surface with the electrode terminal is a target.
この発明に関わる超音波振動接合装置は、接合材と被接合材が載置される固定台と、先端部には接合時に接合材と被接合材を押圧する加圧面が設けられていて、加圧面には複数の突起が形成されている超音波接合ツールと、超音波接合ツールに連結された超音波振動子とを備えている。複数の突起の先端を結んでなる突起の包絡面は、加圧面の外側に向かって凸である。 An ultrasonic vibration welding apparatus according to the present invention includes a fixing base on which a bonding material and a material to be bonded are placed, and a pressure surface that presses the bonding material and the material to be bonded at the time of bonding. An ultrasonic bonding tool having a plurality of protrusions formed on the pressure surface and an ultrasonic transducer coupled to the ultrasonic bonding tool are provided. The envelope surface of the projection formed by connecting the tips of the plurality of projections is convex toward the outside of the pressing surface.
この発明によれば、超音波接合ツールが接合面に対し傾きがあっても、基材の損傷を抑制し、被接合材と基材との十分な接合面積を確保できるので、超音波接合の信頼性を高めることができる。特に、超音波接合時に部材に発生する負荷が低減するため、パワー半導体装置の繰返し熱変形に対して接合部の長期信頼性が高くなる。 According to this invention, even if the ultrasonic bonding tool is inclined with respect to the bonding surface, damage to the base material can be suppressed, and a sufficient bonding area between the material to be bonded and the base material can be secured. Reliability can be increased. In particular, since the load generated on the member during ultrasonic bonding is reduced, the long-term reliability of the bonded portion is improved against repeated thermal deformation of the power semiconductor device.
実施の形態１．
本願に関わる超音波振動接合装置１００の全体構成を図１に基づいて説明する。圧電素子３１ａと金属板３１ｂから成るランジュバン型の超音波振動子３１はホルダー３０に取り付けられている。超音波接合ツール１２は、ホルダー３０に共振時の非振動位置（ノード点）で固定されている。超音波発信器２５は超音波振動子３１を制御する。超音波接合ツール１２は固定台（アンビル）４０に対向している先端部（金属ホーン）１２ａを有している。先端部１２ａは超音波接合ツール１２の軸に直交する配置で機械的に取り付けられている。先端部１２ａの中央部付近には円筒状のヒータコイル２４が、先端部１２ａを貫通する状態で取付けられている。ヒータコイル２４には加熱電源２２から電力が供給され、超音波接合ツール１２を昇温する。先端部１２ａには、超音波接合時に接合材と被接合材を押圧する加圧面１０が設けられている。
Embodiment 1 FIG.
The overall configuration of the ultrasonic vibration bonding apparatus 100 according to the present application will be described with reference to FIG. A Langevin type ultrasonic transducer 31 comprising a piezoelectric element 31 a and a metal plate 31 b is attached to a holder 30. The ultrasonic bonding tool 12 is fixed to the holder 30 at a non-vibration position (node point) at the time of resonance. The ultrasonic transmitter 25 controls the ultrasonic transducer 31. The ultrasonic bonding tool 12 has a tip end (metal horn) 12 a facing a fixed base (anvil) 40. The distal end portion 12 a is mechanically attached in an arrangement perpendicular to the axis of the ultrasonic bonding tool 12. A cylindrical heater coil 24 is attached near the center of the tip 12a so as to penetrate the tip 12a. Electric power is supplied to the heater coil 24 from the heating power source 22 to raise the temperature of the ultrasonic bonding tool 12. The front end portion 12a is provided with a pressure surface 10 that presses the bonding material and the material to be bonded at the time of ultrasonic bonding.
ホルダー３０には、電磁石３９と磁性体３７が対向する位置に取り付けられている。電磁石３９に電流を通電して接合時に超音波接合ツール１２に加える力を発生させる。超音波接合ツール１２に加える荷重は、圧力センサ３８によって荷重制御回路２０が検出する。シーケンス制御回路２９は設定荷重と同じ値になるように電磁石３９へ流す電流をフィードバック制御する。固定台４０には加工途中のパワー半導体装置が載置されている。パワー半導体装置は、ベース板２、絶縁基板４、半導体チップ５などから構成されている。半導体チップ５は、裏面に電極が形成され、ケースに収容される。 The holder 30 is attached with an electromagnet 39 and a magnetic body 37 facing each other. A current is applied to the electromagnet 39 to generate a force to be applied to the ultrasonic bonding tool 12 during bonding. The load applied to the ultrasonic bonding tool 12 is detected by the load control circuit 20 by the pressure sensor 38. The sequence control circuit 29 feedback-controls the current that flows to the electromagnet 39 so as to have the same value as the set load. A power semiconductor device being processed is placed on the fixed base 40. The power semiconductor device includes a base plate 2, an insulating substrate 4, a semiconductor chip 5, and the like. The semiconductor chip 5 has an electrode formed on the back surface and is accommodated in a case.
半導体チップ５は、珪素（Ｓｉ）によって形成されたものの他、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しても良い。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドがある。ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失も低いため、電力用半導体素子を用いた装置の小型化が可能となる。動作温度が高いＳｉＣチップ等を搭載したパワー半導体装置では、繰返し熱変形によって接合部に作用する負荷が増大し、経年的に接合面が損傷して製品の機能が低下しやすいため、この発明の効果が顕著に得られる。 The semiconductor chip 5 may be formed of a wide band gap semiconductor having a band gap larger than that of silicon other than that formed of silicon (Si). Examples of the wide band gap semiconductor include silicon carbide (SiC), a gallium nitride material, and diamond. When a wide bandgap semiconductor is used, the allowable current density is high and the power loss is low, so that a device using the power semiconductor element can be downsized. In a power semiconductor device equipped with a SiC chip or the like having a high operating temperature, the load acting on the joint portion increases due to repeated thermal deformation, and the joint surface is easily damaged over time. The effect is remarkably obtained.
図２は、パワー半導体装置に含まれる電極端子を超音波接合ツールにより絶縁基板に押圧している状態を示している。絶縁基板４には回路パターン（接合材）６が形成されている。電極端子（被接合材）８を回路パターン６に超音波接合するために、超音波接合ツール１２の先端部１２ａを電極端子８の上方から押圧する。超音波接合ツール１２は通常半
波長の共鳴体で、その材質は一般的にアルミ合金やチタン合金が使われる。電極端子８は回路パターン６を外部電源に電気的・機械的に接続する。線分ＡＢと線分ＣＤは、互いに直交している。
FIG. 2 shows a state in which the electrode terminals included in the power semiconductor device are pressed against the insulating substrate by the ultrasonic bonding tool. A circuit pattern (bonding material) 6 is formed on the insulating substrate 4. In order to ultrasonically bond the electrode terminal (bonded material) 8 to the circuit pattern 6, the tip 12 a of the ultrasonic bonding tool 12 is pressed from above the electrode terminal 8. The ultrasonic bonding tool 12 is usually a half-wave resonator, and is generally made of an aluminum alloy or a titanium alloy. The electrode terminal 8 electrically and mechanically connects the circuit pattern 6 to an external power source. The line segment AB and the line segment CD are orthogonal to each other.
図３は、実施の形態１にかかわる超音波接合ツールの先端部１２ａを模式的に表している。図３（Ａ）は図２に示した線分ＡＢおよび線分ＣＤに対する断面図を表している。図３（Ｂ）は加圧面を固定台の方向から見た状態をあらわしている。超音波接合ツールの加圧面１０Ａには複数の突起１６が形成されている。包絡面（または包絡線）２１は加圧面１０かけて形成されている複数の突起の先端を結んでいる。ドーム形状の加圧面１０に形成された１つあるいは複数個の突起１６によって、実施の形態１にかかわる超音波接合ツール１２の包絡面はドーム状を呈している。突起１６の形状は任意であるが、たとえば円錘、四角錐の突起形状にすることができる。ここでは加圧面と包絡面（または包絡線）２１とが平行である場合について例示しているが、加圧面と包絡面２１とは必ずしも平行でなくともよい。 FIG. 3 schematically shows the distal end portion 12a of the ultrasonic bonding tool according to the first embodiment. FIG. 3A shows a cross-sectional view of the line segment AB and the line segment CD shown in FIG. FIG. 3B shows a state where the pressing surface is viewed from the direction of the fixed base. A plurality of protrusions 16 are formed on the pressure surface 10A of the ultrasonic bonding tool. The envelope surface (or envelope line) 21 connects the tips of a plurality of protrusions formed over the pressure surface 10. The envelope surface of the ultrasonic bonding tool 12 according to the first embodiment has a dome shape due to one or a plurality of protrusions 16 formed on the dome-shaped pressing surface 10. The shape of the protrusion 16 is arbitrary, but can be a protrusion shape of, for example, a cone or a quadrangular pyramid. Here, the case where the pressing surface and the envelope surface (or envelope) 21 are parallel is illustrated, but the pressing surface and the envelope surface 21 are not necessarily parallel.
実施の形態１にかかわる包絡面の断面は円弧状を呈している。突起１６の包絡面２１は中央部が固定台に向かって膨らんだ凸型である。凸部の位置は加圧面１０の中央であることが好ましいが、必ずしも中央でなくともよい。また、凸部は加圧面の端部を除く位置に複数設けられていてもよい。先端部１２ａの断面の形態は、特に限定されるものではないが、回転対称な円柱形、面対称な四角柱形などが考えられる。実施の形態１から６の先端部１２ａは円柱形状を呈している。複数の突起１６は、加圧面の全域にわたって分布している。 The cross section of the envelope surface according to the first embodiment has an arc shape. The envelope surface 21 of the protrusion 16 has a convex shape whose central portion swells toward the fixed base. The position of the convex portion is preferably at the center of the pressing surface 10, but not necessarily at the center. Moreover, the convex part may be provided with two or more in the position except the edge part of a pressurization surface. The form of the cross section of the tip end portion 12a is not particularly limited, but a rotationally symmetric cylindrical shape, a plane symmetric quadrangular prism shape, and the like are conceivable. The distal end portion 12a of the first to sixth embodiments has a cylindrical shape. The plurality of protrusions 16 are distributed over the entire pressure surface.
図４は、超音波による接合工程を示す断面図である。パワー半導体装置のベース板２には接合部材３で固定された絶縁基板４が載置されている。電極端子８は絶縁基板４に形成された回路パターン６に押圧されている。超音波接合ツール１２を荷重負荷方向１３に押し付けると接触圧力が生じる。超音波接合ツールは包絡面２１の中央部を第一接触点として電極端子８と接する。超音波振動によって、超音波接合ツール１２と電極端子８の食い込み量が多くなるに従い、電極端子８と回路パターン６の間の広い面積に接触圧が作用し、十分な接合面積が得られる。このとき、第一接触点である包絡面２１の中央部で接触圧力が高くなる。包絡面２１の外周部では接触圧力が下がるので、接合面の外周部における電極端子の局所的な食い込みが回避される。 FIG. 4 is a cross-sectional view showing a bonding process using ultrasonic waves. An insulating substrate 4 fixed by a joining member 3 is placed on the base plate 2 of the power semiconductor device. The electrode terminal 8 is pressed against the circuit pattern 6 formed on the insulating substrate 4. When the ultrasonic bonding tool 12 is pressed in the load application direction 13, a contact pressure is generated. The ultrasonic bonding tool is in contact with the electrode terminal 8 with the central portion of the envelope surface 21 as the first contact point. As the amount of biting between the ultrasonic bonding tool 12 and the electrode terminal 8 increases due to the ultrasonic vibration, a contact pressure acts on a wide area between the electrode terminal 8 and the circuit pattern 6 to obtain a sufficient bonding area. At this time, the contact pressure increases at the center of the envelope surface 21 that is the first contact point. Since the contact pressure is reduced at the outer peripheral portion of the envelope surface 21, local biting of the electrode terminals at the outer peripheral portion of the joint surface is avoided.
電極端子８を回路パターン６（あるいは半導体チップの電極）に超音波接合する場合、電極端子８の接合面に摩擦力が生じる。超音波接合に必要な摩擦力は、電極端子８の平坦部１１に超音波接合ツール１２を荷重負荷方向１３に押し付ける力と、超音波接合ツール１２を超音波振動方向１４に振動させる力から発生する。このとき、超音波接合ツールの先端に設けられている突起１６は、電極端子８と超音波接合ツール１２の間にすべりが生じないように作用する。超音波接合工程において、十分な接合面積を確保して永久的な接続を達成できる接合強度を得るためには、接合部の部材が永久変形するほど大きい摩擦力が必要である。過大な摩擦力は接合部材および接合面近傍の部材を損傷させるが、突起１６は過大な力が作用しないように効率よく金属面同士を機械的に摩擦させる。 When the electrode terminal 8 is ultrasonically bonded to the circuit pattern 6 (or the electrode of the semiconductor chip), a frictional force is generated on the bonding surface of the electrode terminal 8. The frictional force necessary for ultrasonic bonding is generated from the force that presses the ultrasonic bonding tool 12 against the flat portion 11 of the electrode terminal 8 in the load direction 13 and the force that vibrates the ultrasonic bonding tool 12 in the ultrasonic vibration direction 14. To do. At this time, the protrusion 16 provided at the tip of the ultrasonic bonding tool acts so that no slip occurs between the electrode terminal 8 and the ultrasonic bonding tool 12. In the ultrasonic bonding process, in order to obtain a bonding strength that can secure a sufficient bonding area and achieve a permanent connection, a larger frictional force is required as the member of the bonding portion is permanently deformed. Excessive frictional force damages the joining member and the member in the vicinity of the joining surface, but the protrusion 16 efficiently rubs the metal surfaces mechanically so that excessive force does not act.
図５は、電極端子と回路パターンに対し、超音波接合ツール１２の先端部１２ａが傾いて接触している場合を示す断面図である。ドーム状に形成された加圧面１０には、複数の突起１６が形成されている。突起１６の頂点を結ぶ面で形成された超音波接合ツールの包絡面が電極端子８と接触する。回路パターンに対する電極端子の傾きが生じた場合でも、超音波接合ツールの包絡面２１は円弧状に形成されているため、第一接触点は超音波接合ツール１２の中央近傍となるので、電極端子の外周部で局所的な食い込みが避けられる。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing a case where the tip 12a of the ultrasonic bonding tool 12 is tilted and in contact with the electrode terminal and the circuit pattern. A plurality of protrusions 16 are formed on the pressing surface 10 formed in a dome shape. The envelope surface of the ultrasonic bonding tool formed by the surface connecting the vertices of the protrusions 16 contacts the electrode terminals 8. Even when the electrode terminal is inclined with respect to the circuit pattern, since the envelope surface 21 of the ultrasonic bonding tool is formed in an arc shape, the first contact point is near the center of the ultrasonic bonding tool 12. Local bite can be avoided at the outer periphery of the.
実施の形態２．
実施の形態１に示した超音波接合ツールにおいて、断面が円弧状に形成された超音波接合ツールの包絡面２１は、部分的に突起１６の高さを変えて作製してもよい。図６には、突起の高さが、加圧面の外周部から中心部に向かうほど高くなっている場合を示している。この形状によれば、超音波接合ツールの加工が容易になるため、コスト低減の効果がある。実施の形態２による超音波接合ツール１２の先端部１２ａの断面は円柱形状に加工されているが、円柱形状に限定されるものではない。
Embodiment 2. FIG.
In the ultrasonic bonding tool shown in the first embodiment, the envelope surface 21 of the ultrasonic bonding tool having a cross section formed in an arc shape may be produced by partially changing the height of the protrusion 16. FIG. 6 shows a case where the height of the protrusion increases from the outer peripheral portion to the center portion of the pressing surface. According to this shape, the processing of the ultrasonic bonding tool is facilitated, and thus there is an effect of cost reduction. The cross section of the tip 12a of the ultrasonic bonding tool 12 according to the second embodiment is processed into a cylindrical shape, but is not limited to a cylindrical shape.
実施の形態３．
図７は実施の形態３による超音波接合ツールを示す図である。超音波接合ツールの加圧面１０Ａの形状は、回転対象な矩形形状である。この形状によれば、超音波接合ツールの加工が容易になるため、コスト低減の効果がある。なお、超音波振動方向をＡＢ断面として図示したが、ＣＤ断面と入れ替えても同様の効果を得られる。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 7 shows an ultrasonic welding tool according to the third embodiment. The shape of the pressure surface 10A of the ultrasonic bonding tool is a rectangular shape to be rotated. According to this shape, the processing of the ultrasonic bonding tool is facilitated, and thus there is an effect of cost reduction. Although the ultrasonic vibration direction is shown as an AB cross section, the same effect can be obtained by replacing the ultrasonic vibration direction with the CD cross section.
実施の形態４．
図８は実施の形態４による超音波接合ツールを示す図である。実施の形態１に示す超音波接合ツールにおいて、超音波接合ツールの断面形状は、包絡線が三角形状であってもよい。実施の形態４による加圧面１０Ａの形状は、回転対象な矩形形状である。この形状によれば、接合ツールの加工が容易になるため、コスト低減の効果がある。なお、超音波振動方向をＡＢ断面として図示したが、ＣＤ断面と入れ替えても同様の効果を得られる。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 8 shows an ultrasonic welding tool according to the fourth embodiment. In the ultrasonic bonding tool shown in the first embodiment, the cross-sectional shape of the ultrasonic bonding tool may have a triangular envelope. The shape of the pressing surface 10A according to the fourth embodiment is a rectangular shape to be rotated. According to this shape, since the processing of the joining tool is facilitated, there is an effect of cost reduction. Although the ultrasonic vibration direction is shown as an AB cross section, the same effect can be obtained by replacing the ultrasonic vibration direction with the CD cross section.
実施の形態５．
図９は実施の形態５による超音波接合ツールを示す図である。超音波接合ツールの断面形状は、包絡線が台形形状である。この形状によれば、超音波接合ツールの加工が容易になるため、コスト低減の効果がある。なお、超音波振動方向をＡＢ断面として図示したが、ＣＤ断面と入れ替えても同様の効果を得られる。
Embodiment 5 FIG.
FIG. 9 is a diagram showing an ultrasonic welding tool according to the fifth embodiment. The cross-sectional shape of the ultrasonic bonding tool has a trapezoidal envelope. According to this shape, the processing of the ultrasonic bonding tool is facilitated, and thus there is an effect of cost reduction. Although the ultrasonic vibration direction is shown as an AB cross section, the same effect can be obtained by replacing the ultrasonic vibration direction with the CD cross section.
実施の形態６．
図１０は実施の形態６による超音波接合ツールを示す図である。超音波接合ツールの加圧面１０Ａの形状は、包絡線が階段を背中あわせにして繋ぎ合わせた形状である。この形状によれば、超音波接合ツールの加工が容易になるため、コスト低減の効果がある。なお、超音波振動方向をＡＢ断面として図示したが、ＣＤ断面と入れ替えても同様の効果を得られる。
Embodiment 6 FIG.
FIG. 10 is a diagram showing an ultrasonic welding tool according to the sixth embodiment. The shape of the pressing surface 10A of the ultrasonic bonding tool is a shape in which the envelope is joined together with the stairs back to back. According to this shape, the processing of the ultrasonic bonding tool is facilitated, and thus there is an effect of cost reduction. Although the ultrasonic vibration direction is shown as an AB cross section, the same effect can be obtained by replacing the ultrasonic vibration direction with the CD cross section.
実施の形態７．
図１１は実施の形態７による超音波接合ツールを示す図である。実施の形態７から１１に示す超音波接合ツールにおいて、先端部１２ａの断面形状は四角である。加圧面１０Ｂの形状は、包絡面２１の断面が円弧状を示している。この形状によれば、接合ツールの加工が容易になるため、コスト低減の効果がある。なお、超音波振動方向をＡＢ断面として図示したが、ＣＤ断面と入れ替えても同様の効果を得られる。
Embodiment 7 FIG.
FIG. 11 shows an ultrasonic welding tool according to the seventh embodiment. In the ultrasonic welding tools shown in the seventh to eleventh embodiments, the cross-sectional shape of the distal end portion 12a is a square. The shape of the pressure surface 10B is such that the cross section of the envelope surface 21 is arcuate. According to this shape, since the processing of the joining tool is facilitated, there is an effect of cost reduction. Although the ultrasonic vibration direction is shown as an AB cross section, the same effect can be obtained by replacing the ultrasonic vibration direction with the CD cross section.
実施の形態８．
図１２は実施の形態８による超音波接合ツールを示す図である。図１２（Ｂ）に示す加圧面１０Ｂは、先端部１２ａに対称面が１つ有る場合を表している。図１２（Ｃ）に示す加圧面１０Ｃは先端部１２ａに直交する対称面が２つ有る場合を示している。加圧面１０Ｂと加圧面１０ＣはＡＢ断面で見ると、同じ矩形形状である。この形状によれば、接合ツールの加工が容易になるため、コスト低減の効果がある。なお、超音波振動方向をＡＢ断面として図示したが、ＣＤ断面と入れ替えても同様の効果を得られる。
Embodiment 8 FIG.
FIG. 12 shows an ultrasonic welding tool according to the eighth embodiment. A pressure surface 10B illustrated in FIG. 12B represents a case where the tip portion 12a has one symmetrical surface. A pressing surface 10C shown in FIG. 12C shows a case where there are two symmetrical surfaces orthogonal to the tip portion 12a. The pressing surface 10B and the pressing surface 10C have the same rectangular shape when viewed in the AB cross section. According to this shape, since the processing of the joining tool is facilitated, there is an effect of cost reduction. Although the ultrasonic vibration direction is shown as an AB cross section, the same effect can be obtained by replacing the ultrasonic vibration direction with the CD cross section.
実施の形態９．
図１３は実施の形態９による超音波接合ツールを示す図である。実施の形態９に示す超音波接合ツールにおいて、先端部１２ａの断面形状は四角である。図１３（Ｂ）に示す加圧面１０Ｂは、先端部１２ａに対称面が１つ有る場合を表している。図１３（Ｃ）に示す加圧面１０Ｃは先端部１２ａに直交する対称面が２つ有る場合を示している。加圧面１０Ｂと加圧面１０ＣはＡＢ断面で見ると、同じ三角形状である。この形状によれば、接合ツールの加工が容易になるため、コスト低減の効果がある。なお、超音波振動方向をＡＢ断面として図示したが、ＣＤ断面と入れ替えても同様の効果を得られる。
Embodiment 9 FIG.
FIG. 13 shows an ultrasonic welding tool according to the ninth embodiment. In the ultrasonic bonding tool shown in the ninth embodiment, the cross-sectional shape of the distal end portion 12a is a square. A pressing surface 10B illustrated in FIG. 13B represents a case where the tip portion 12a has one symmetrical surface. A pressing surface 10C shown in FIG. 13C shows a case where there are two symmetrical surfaces orthogonal to the tip 12a. The pressing surface 10B and the pressing surface 10C have the same triangular shape when viewed in the AB cross section. According to this shape, since the processing of the joining tool is facilitated, there is an effect of cost reduction. Although the ultrasonic vibration direction is shown as an AB cross section, the same effect can be obtained by replacing the ultrasonic vibration direction with the CD cross section.
実施の形態１０．
図１４は実施の形態１０による超音波接合ツールを示す図である。実施の形態１０に示す超音波接合ツールにおいて、先端部１２ａの断面形状は四角である。図１４（Ｂ）に示す加圧面１０Ｂは、先端部１２ａに対称面が１つ有る場合を表している。図１４（Ｃ）に示す加圧面１０Ｃは先端部１２ａに直交する対称面が２つ有る場合を示している。加圧面１０Ｂと加圧面１０ＣはＡＢ断面で見ると、台形形状である。この形状によれば、接合ツールの加工が容易になるため、コスト低減の効果がある。なお、超音波振動方向をＡＢ断面として図示したが、ＣＤ断面と入れ替えても同様の効果を得られる。
Embodiment 10 FIG.
FIG. 14 shows an ultrasonic welding tool according to the tenth embodiment. In the ultrasonic welding tool shown in the tenth embodiment, the cross-sectional shape of the distal end portion 12a is a square. A pressing surface 10B illustrated in FIG. 14B represents a case where the tip portion 12a has one symmetrical surface. A pressing surface 10C shown in FIG. 14C shows a case where there are two symmetrical surfaces orthogonal to the tip 12a. The pressing surface 10B and the pressing surface 10C have a trapezoidal shape when viewed in the AB cross section. According to this shape, since the processing of the joining tool is facilitated, there is an effect of cost reduction. Although the ultrasonic vibration direction is shown as an AB cross section, the same effect can be obtained by replacing the ultrasonic vibration direction with the CD cross section.
実施の形態１１．
図１５は実施の形態１１による超音波接合ツールを示す図である。実施の形態１１に示す超音波接合ツールにおいて、先端部１２ａの断面形状は四角である。図１５（Ｂ）に示す加圧面１０Ｂは、先端部１２ａに対称面が１つ有る場合を表している。図１５（Ｃ）に示す加圧面１０Ｃは先端部１２ａに直交する対称面が２つ有る場合を示している。加圧面１０Ｂと加圧面１０ＣはＡＢ断面で見ると、包絡線が階段を背中合わせにして繋ぎ合わせた形状である。
Embodiment 11 FIG.
FIG. 15 shows an ultrasonic welding tool according to the eleventh embodiment. In the ultrasonic welding tool shown in the eleventh embodiment, the cross-sectional shape of the tip 12a is a square. A pressing surface 10B shown in FIG. 15B represents a case where the tip portion 12a has one symmetrical surface. A pressing surface 10C shown in FIG. 15C shows a case where there are two symmetrical surfaces orthogonal to the tip 12a. The pressure surface 10B and the pressure surface 10C have a shape in which the envelope is connected with the stairs back to back when viewed in the AB cross section.
実施の形態１２．
加圧面１０には突起１６が形成されていない部分が存在していてもよい。図１６は実施の形態１２による超音波接合ツールを示す図である。実施の形態１２に示す超音波接合ツールの先端部１２ａは円柱状であるが、四角柱状でもよい。複数の突起１６は、加圧面１０Ａの内側部にわたって分布しているが、加圧面１０Ａの周辺部は更地１５の状態にある。
Embodiment 12 FIG.
There may be a portion where the protrusion 16 is not formed on the pressing surface 10. FIG. 16 shows an ultrasonic welding tool according to the twelfth embodiment. The distal end portion 12a of the ultrasonic bonding tool shown in the twelfth embodiment has a cylindrical shape, but may have a rectangular column shape. The plurality of protrusions 16 are distributed over the inner portion of the pressure surface 10 </ b> A, but the peripheral portion of the pressure surface 10 </ b> A is in the state of the ground 15.
半導体チップ５にＳｉＣを用いた場合、半導体装置１はその特徴を生かすべくＳｉの時と比較してより高温で動作させることになる。ＳｉＣデバイスを搭載する半導体装置においては、半導体装置としてより高い信頼性が求められるため、高信頼の半導体装置を実現するという本発明のメリットはより効果的なものとなる。 In the case where SiC is used for the semiconductor chip 5, the semiconductor device 1 is operated at a higher temperature than in the case of Si in order to take advantage of its characteristics. In a semiconductor device on which an SiC device is mounted, since higher reliability is required as a semiconductor device, the merit of the present invention for realizing a highly reliable semiconductor device becomes more effective.
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
ベース板 ２、接合部材 ３絶縁基板 ４、半導体チップ ５、回路パターン ６、電極端子 ８、加圧面 １０、平坦部 １１、超音波接合ツール １２、先端部 １２ａ、荷重負荷方向 １３、超音波振動方向 １４、加圧面 １０、更地 １５、突起 １６、包絡面 ２１、ヒータコイル ２４、超音波発信器 ２５、シーケンス制御回路 ２９、超音波振動子 ３１、ホルダー ３０、磁性体 ３７、圧力センサ ３８、電磁石 ３９、固定台 ４０。 Base plate 2, bonding member 3 insulating substrate 4, semiconductor chip 5, circuit pattern 6, electrode terminal 8, pressure surface 10, flat portion 11, ultrasonic bonding tool 12, tip portion 12 a, load load direction 13, ultrasonic vibration direction 14, pressure surface 10, ground 15, protrusion 16, envelope surface 21, heater coil 24, ultrasonic transmitter 25, sequence control circuit 29, ultrasonic transducer 31, holder 30, magnetic body 37, pressure sensor 38, electromagnet 39, fixed base 40.
Claims (16)
先端部には接合時に前記接合材と前記被接合材を押圧する加圧面が設けられていて、前記先端部の加圧面には複数の突起が形成されている超音波接合ツールと、
前記超音波接合ツールに連結された超音波振動子とを備え、
前記複数の突起の先端を結んでなる突起の包絡面は、前記加圧面の外側に向かって凸であることを特徴とする超音波振動接合装置。 A fixing table on which the bonding material and the bonded material are placed;
An ultrasonic bonding tool in which a pressing surface that presses the bonding material and the material to be bonded at the time of bonding is provided at the tip, and a plurality of protrusions are formed on the pressing surface of the tip.
An ultrasonic transducer coupled to the ultrasonic bonding tool,
The ultrasonic vibration bonding apparatus according to claim 1, wherein an envelope surface of the protrusion formed by connecting tips of the plurality of protrusions is convex toward the outside of the pressure surface.
The plurality of protrusions formed on the pressure surface are distributed in a central portion of the pressure surface, and a peripheral portion of the pressure surface surrounding the central portion is in a ground state. The ultrasonic vibration joining apparatus according to 1.
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