加压加热接合结构及加压加热接合方法

加压加热接合结构及加压加热接合方法
【专利摘要】本发明公开一种加压加热接合结构及加压加热接合方法。所述的一种加压加热接合结构，将使用金属微粒作为接合材料而将两个部件加压加热接合，其中，将线膨胀系数不同的第一部件（14）与第二部件（4A）配置成使产生于该第一部件与第二部件之间的热应力作为加压力作用于两个部件的接合面（F2），并在将所述金属微粒设置在所述接合面之间的状态下升温而将所述第一部件与所述第二部件加压加热接合。根据本发明，即使在与加压方向正交的接合面上也能有效地进行加压加热接合。
【专利说明】加压加热接合结构及加压加热接合方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种利用金属微粒而将两个部件加压加热接合的加压加热接合结构 及加压加热接合方法。

【背景技术】
[0002] 作为这种加压加热接合技术，例如已提出记载于专利文献1的技术。在该加压加 热接合技术中，为了将层叠的基板的各电极端子彼此接合在一起，在基板上形成晶体管和 多层配线，并形成覆盖多层配线的绝缘膜，且形成开口部以使配线从绝缘膜露出，并在开口 部内涂布含有导电性微粒的有机溶剂。然后，通过进行第一热处理而将溶剂和有机成分除 去之后，通过CMP法而除去开口部外侧部分的导电性微粒，从而使开口部内形成由导电性 微粒构成的电极端子，并将形成于第二基板上的贯通电极加压而压接于该电极端子，并进 行温度高于第一热处理的第二热处理，以使导电性微粒部分熔融而将贯通电极接合于开口 部。
[0003] 在记载于所述专利文献1的加压加热接合方法中，可将电极插通于基板侧的接合 凹部内而在电极的插通方向上加压的同时加热而进行加压加热接合。在此情况下，由于插 通于接合凹部内的电极的加压方向为电极的插通方向，因此针对接合凹部的底面与电极的 底面之间的接合面而作用加压力，所以能够较好地进行在该接合面上的加压接合。然而，由 于接合凹部的侧壁与电极外周面之间的侧面侧的接合面上没有作用加压力，因此存在如下 尚未解决的问题：在该侧面侧的接合面上无法进行加压加热接合。
[0004] 现有技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1 :日本特开2011-249562号公报


【发明内容】

[0007] 本发明是着眼于上述现有技术例中的尚未解决的问题而做出的，其目的在于提供 一种即使在与加压方向正交的接合面上也能有效地进行加压加热接合的加压加热接合结 构及加压加热接合方法。
[0008] 为了达到上述目的，关于本发明的第一方式的一种加压加热接合结构，使用金属 微粒作为接合材料而将两个部件加压加热接合而成，其中，将线膨胀系数不同的第一部件 与第二部件配置成使产生于该第一部件与第二部件之间的热应力作为加压力作用于两个 部件的接合面，并在将所述金属微粒设置在所述接合面之间的状态下升温而将所述第一部 件与所述第二部件加压加热接合。
[0009] 而且，关于本发明的第二方式的一种加压加热接合结构，使用金属微粒作为接合 材料而将两个部件加压加热接合而成，其中，所述两个部件是由线膨胀系数相对较小的第 一部件和线膨胀系数相对较大的第二部件所构成，且在所述第一部件形成接合凹部，并在 该接合凹部设置所述金属微粒而卡合所述第二部件的状态下升温，从而利用所述第一部件 与所述第二部件之间产生的热应力而将加压力施加于所述第一部件与所述第二部件的接 合部而将所述第一部件与所述第二部件加压加热接合。
[0010] 并且，关于本发明的第三方式的一种加压加热接合结构，其中，所述第一部件由形 成有圆形截面的所述接合凹部的导电性板材构成，而所述第二部件由圆柱状的端子部件构 成。
[0011] 而且，关于本发明的第四方式的一种加压加热接合结构，使用金属微粒作为接合 材料而将两个部件加压加热接合而成，其中，具有：第三部件，其具有在中央部形成有嵌合 凹部的环状突起；第四部件，嵌合于该第三部件的嵌合凹部，并具有大小为该第三部件的线 膨胀系数以上的线膨胀系数；紧固夹具，具有与所述第三部件的环状突起的外周缘卡合的 卡合孔，并具有小于所述第三部件的线膨胀系数的线膨胀系数，其中，隔着所述金属微粒而 将所述第四部件配置于所述第三部件的嵌合凹部，并在将所述紧固夹具安装于所述第三部 件的外周面的状态下升温，使所述紧固夹具约束所述第三部件和所述第四部件的热膨胀， 从而将加压力施加于所述第三部件与所述第四部件的接合面而进行加压加热接合。
[0012] 并且，关于本发明的第五方式的一种加压加热接合结构，其中，所述第三部件由形 成有圆形截面的所述环状突起的导电性板材构成，而所述第四部件由圆柱状的端子部件构 成。
[0013] 而且，关于本发明的第一方式的一种加压加热接合方法，其中，具有如下工序：将 彼此接合的线膨胀系数不同的第一部件与第二部件配置成使升温时产生于该第一部件与 第二部件之间的热应力作为加压力作用于所述第一部件与第二部件的接合面的工序；在将 所述金属微粒设置在所述接合面之间的状态下升温而将所述第一部件与所述第二部件加 压加热接合的工序。
[0014] 并且，关于本发明的第二方式的一种加压加热接合方法，其中，具有如下工序：准 备形成有接合凹部的第一部件和具有大于该第一部件的线膨胀系数的线膨胀系数的第二 部件，并将金属微粒作为接合材料而设置于所述第一部件的所述接合凹部并卡合所述第二 部件的工序；在通过所述金属微粒而将第二部件卡合于第一部件的所述接合凹部的状态下 升温，从而利用所述第一部件与所述第二部件之间产生的热应力而将加压力施加于所述第 一部件与所述第二部件的接合部而将所述第一部件与所述第二部件加压加热接合。
[0015] 而且，关于本发明的第三方式的一种加压加热接合方法，其中，具有如下工序：接 合前处理工序，准备具有在中央部形成有接合凹部的环状突起的第三部件、接合于该第三 部件的接合凹部并具有大小为该第三部件的线膨胀系数以上的线膨胀系数的第四部件、具 有与所述第三部件的环状突起的外周缘卡合的卡合孔并具有小于所述第三部件的线膨胀 系数的线膨胀系数的紧固夹具，且在所述第三部件的外周面安装所述紧固夹具，并将金属 微粒作为接合材料设置于所述第三部件的接合凹部后配置所述第四部件以形成接合预备 状态；加压加热接合工序，使接合预备状态的第三部件、第四部件以及紧固夹具升温，以使 所述紧固夹具约束所述第三部件和所述第四部件的热膨胀，从而将加压力施加于所述第三 部件与所述第四部件的接合面而进行加压加热接合。
[0016] 根据本发明，将加压加热接合的两个部件的线膨胀系数取为不同，据此可以引起 升温时因线膨胀系数差而产生的热应力，并将该热应力所致的加压力作用于接合面，从而 即使在接合面为侧面等的情况下也能有效地作用加压力，由此可以有效地进行这两个部件 之间的加压加热接合。
[0017] 而且，根据本发明，使用线膨胀系数比进行加压加热接合的两个部件的线膨胀系 数更小的紧固夹具从外侧约束两个部件的接合部，据此可以使外侧部件的热膨胀趋向内侧 部件而使加压力作用于接合面，从而即使在接合面为侧面等的情况下也能有效地作用加压 力，由此可以有效地进行这两个部件之间的加压加热接合。

【专利附图】

【附图说明】
[0018] 图1为表示可应用本发明的加压加热接合的半导体装置的立体图。
[0019] 图2为图1的纵剖面图。
[0020] 图3为表示绝缘基板的图，其中（a)为俯视图，（b)为侧视图，（c)为仰视图。
[0021] 图4为表示应用于图1的印刷电路板的图，其中（a)为俯视图，（b)为仰视图。
[0022] 图5为表示将印刷电路板安装于绝缘基板的状态的立体图。
[0023] 图6为表示本发明的加压加热接合方法的第一实施方式的工序图。
[0024] 图7为表示现有技术中的加压加热接合方法的工序图。
[0025] 图8为表示本发明的加压加热接合方法的第二实施方式的工序图。
[0026] 图9为表示应用图8的加压加热接合方法的加压加热接合装置的剖面图。
[0027] 符号说明：
[0028] 1 :功率半导体模块 4A?4C :外部连接端子
[0029] 5Aa、5Ab、5Ba、5Bb :控制端子 11A、11B :绝缘基板
[0030] 12A :第一半导体芯片 12B :第二半导体芯片
[0031] 14:导体图案 14a、14h:宽幅部
[0032] 14b、14i:窄幅部 14c、14j :芯片搭载图案
[0033] 14d、14e、14ka、14kb、14ma、14mb :端子连接图案
[0034] 14f、14g、14〇、14p、14q :接合凹部
[0035] FI :底部接合面 F2 :周向接合面
[0036] 15:散热用导热图案 16:印刷电路板
[0037] 21 :含金属微粒浆糊 31 :环状突起
[0038] 32 :含金属微粒浆糊 33 :环状夹具
[0039] 40 :加压加热接合装置 41 :接合装置主体
[0040] 44 :加热器 45 :升降机构

【具体实施方式】
[0041] 以下，参照附图对将本发明的加压加热接合结构及加压加热接合方法应用于作为 半导体装置的功率半导体模块的情形的实施方式进行说明。
[0042] 图1?图6为表示将本发明应用于作为半导体装置的功率半导体模块的情形的第 一实施方式的图。
[0043] 作为可适用本发明的功率半导体模块1的一例，如图1所示，构成为利用环氧树脂 等树脂材料注塑成型的成型体。该功率半导体模块1在左右端部侧形成有用于插通固定螺 丝的插通孔2,且以包围这些插通孔2的方式形成有俯视为U字形的绝缘用壁部3。
[0044] 而且，在功率半导体模块1中，朝上方突出形成有外部连接用端子4A、4B、4C和控 制端子5Aa、5Ab、5Ba、5Bb，这些端子在上表面的左右绝缘用壁部3之间的前后端部侧各自 形成为作为第二部件的且具有相同构成的销状圆柱体。这些外部连接用端子4A、4B、4C和 控制端子5Aa、5Ab、5Ba、5Bb与成为主电路构成部件的半导体芯片12A、12B电连接，该主电 路构成部件搭载于作为内置的第一部件的绝缘基板11A、11B上。
[0045] 绝缘基板11A具有将导热性良好的氧化铝等陶瓷材料作为主成分的例如正方形 形状的基板13,该基板13的正面上贴附有由厚度为0. 5mm以上的铜板构成的导体图案14， 而背面上贴附有由具有相同厚度的铜板构成的散热用导热图案15。
[0046] 如图3所示，导体图案14具有形成为俯视呈"凸"字形的芯片搭载图案14c，该芯 片搭载图案14c由左端部具有与基板13的宽度大致相等的宽度的宽幅部14a和与该宽幅 部14a右侧连接的宽度比宽幅部14a窄的窄幅部14b构成。并且，导体图案14在芯片搭载 图案14c的窄幅部14b的外侧具有保持预定间隔而单独存在的端子连接图案14d、14e。使 这些端子连接图案14d、14e的侧缘与芯片搭载图案14c的宽幅部14a的侧缘一致。在此， 如图3的（a)所示，在芯片搭载图案14c的宽幅部14a上通过焊料等接合部件而安装有第 一半导体芯片12A及第二半导体芯片12B。而且，在芯片搭载图案14c上形成有用于在第一 半导体芯片12A的宽度方向外侧将主电路用外部连接端子4A进行加压加热接合的接合凹 部14f。并且，端子连接图案14d、14e上形成有用于将外部连接端子4B加压加热接合的接 合凹部14g。
[0047] 而且，绝缘基板11B也与绝缘基板11A同样地具有将陶瓷材料作为主成分的基板 13和形成于其正面和背面的导体图案14以及散热用导热图案15。与绝缘基板11A相同，导 体图案14形成有：芯片搭载图案14j，其由宽幅部14h和窄幅部14i而形成为俯视呈"凸" 字形；和2个端子连接图案14ka、14kb以及端子连接图案14ma、14mb，其分别保持预定间隔 而单独形成于该芯片搭载图案14j的窄幅部14i的外侧。
[0048] 另外，如图3 (a)所示，在芯片搭载图案14j上通过焊料等接合部件而安装有第一 半导体芯片12A及第二半导体芯片12B。而且，在芯片搭载图案14j上形成有用于在第一 半导体芯片12A的宽度方向外侧将外部连接端子4C加压加热接合的圆形截面的接合凹部 14〇〇
[0049] 并且，在端子连接图案14ka、14kb及14ma、14mb上形成有用于将控制端子5Aa、5Ab 及5Ba、5Bb加压加热接合的接合凹部14p及14q。
[0050] 在此，关于外部连接端子4A、4B、4C以及控制端子5Aa、5Ab、5Ba、5Bb的材料，由 于是加压加热接合于绝缘基板11A、11B的导体图案14的接合凹部14f、14g、14o、14p、 14q，因此优选具有相对于构成作为接合对象的导体图案14的铜（Cu)的线膨胀系数 (α 1=16. 5ΧΚΓ6)更大的线膨胀系数（α 2=23. 1ΧΚΓ6)的铝（A1)系的材料。然而考虑到焊 料接合的难易度，可对外部连接端子4Α?4C以及控制端子5Aa、5Ab、5Ba、5Bb实施镍（Ni) 系或锡（Sn)系的表面处理以改善焊料接合的润湿性，从而提高安装效率。
[0051] 另外，按照图6所示将外部连接端子4A?4C以及控制端子5Aa、5Ab、5Ba、5Bb加 压加热接合于导体图案14的接合凹部14f、14g、14o以及14p、14q。
[0052] 关于这一加压加热接合，将外部连接端子4A与导体图案14的接合凹部14f的接 合作为代表进行说明。首先，如图6的（a)所示，例如以从接合凹部14f充盈至隆起的方式 在接合凹部14f涂布将含有作为接合部件的银（Ag)微粒等金属微粒的含金属微粒浆糊21。
[0053] 在此，作为含金属微粒浆糊21，可采用在挥发性的粘结剂材料中分散Ag微粒等金 属微粒并用粘结剂材料被覆Ag微粒等金属微粒的表面而形成浆糊状的材料。而且，作为金 属微粒，除了银(Ag)以外可以采用铜（Cu)等。粘结剂材料例如可以采用由羧酸类、醇类、胺 类中的至少一种组成的有机物。
[0054] 其次，如图6 (b)所示，例如向接合凹部14f的含金属微粒浆糊21内插入具有略 小于接合凹部14f的内径的外径的外部连接端子4A。将该接合凹部14f的内径与外部连接 端子4A的外径的尺寸差设定为当升温至预定的升温温度时根据接合凹部14f与外部连接 端子4A的热膨胀差而在两者之间的周向接合面F2上有加压力作用。
[0055] 然后，在将外部连接端子4A插入到接合凹部14f的状态下，且在利用预定的夹具 而在外部连接端子4A的上端施加了加压力的状态下，利用设置于夹具上的加热器来加热 外部连接端子4A或者将其放入加热炉而将接合部升温至例如250°C?300°C左右。含金属 微粒浆糊21因加热而导致粘结剂成分的分解而使金属微粒露出。此时，由于外部连接端子 4A的线膨胀系数α 2被设定为大于导体图案14的线膨胀系数α 1，因此通过从常温开始升 温，外部连接端子4Α的半径方向的热膨胀量成为比接合凹部14f的半径方向的热膨胀量 大。因此，外部连接端子4A的外周面压接于接合凹部14f的内表面而产生热应力，而这一 热应力将作为加压力而作用于外部连接端子4A的外表面与接合凹部14f的内表面之间的 周向接合面F2。由于在含金属微粒浆糊21中粘结剂成分分解而使金属微粒露出，因此在外 部连接端子4A的外周面与接合凹部14f的内周面之间的周向接合面F2当中有加压力作用 的位置上，露出的金属微粒将会烧结。无需从外部施加加压力也能有效地接合于周向接合 面F2。
[0056] 当然，由于在外部连接端子4A的底面与接合凹部14f的底面之间的底部接合面F1 上通过夹具而从外部连接端子4A的上端侧施加加压力，因此在这一底部接合面F1上露出 的金属微粒也会烧结，从而可以有效地进行外部连接端子4A与接合凹部14f的接合。
[0057] 然后，通过停止外部连接端子4A及导体图案14的由加热器或加热炉而产生的升 温而降至常温，从而使金属微粒在这期间固化而使外部连接端子4A与接合凹部14f有效地 接合，从而形成加压加热接合结构。
[0058] 对于其他的外部连接端子4B、4C以及控制端子5Aa、5Ab、5Ba、5Bb也是在进行所述 外部连接端子4A的加压加热接合的同时插入到接合凹部14g、14o及14p、14q,并在通过夹 具而沿轴向加压的状态下升温，据此在底部接合面F1以及周向接合面F2均使金属微粒烧 结而进行加压加热接合，从而形成加压加热接合结构。
[0059] 而且，半导体芯片12A形成有作为功率半导体元件的绝缘栅双极型晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)(或者是功率 MOSFET(Metal-〇xide_Semicon ductor Field-Effect Transistor :金属-氧化物-半导体场效应晶体管））。半导体芯片 12B 形成有续流二极管（Free Wheeling Diode，FWD)。
[0060] 另外，半导体芯片12A在下表面形成有集电极，且在上表面形成有发射极以及栅 极。并且，半导体芯片12B在下表面形成有阴极，且在上表面形成有阳极。
[0061] 而且，在绝缘基板11A、11B的上方保持预定间距配置有印刷电路板16。如图4(a) 和（b)所示，该印刷电路板16在正面侧形成有成为主电路的电流通路的宽幅的突向左侧的 凸状的导电图案16a和成为主电路用电流通路的同样为宽幅的导电图案16b。并且，在印刷 电路板16的正面上形成有通过柱电极17而连接于第一半导体芯片12A的栅极的栅极用配 线16c、16d。这些栅极用配线16c、16d连接于形成在右端侧的、形成在用于插通控制端子 5Ba、5Bb的插通孔16ea、16eb的周围的端子连接图案16fa、16fb。而且，印刷电路板16上 贯穿设置有非接触式插通外部连接端子4A及4C的简单插通孔16g及16h、非接触式插通外 部连接端子4B的通孔16i。
[0062] 并且，如图4 (b)所示，在印刷电路板16的背面上形成有导电图案16a、16b，这些 导电图案16a、16b俯视时与正面侧的导电图案16a、16b重合，且作为主电路用电流通路的 宽幅的突向左侧呈凸状。而且，在印刷电路板16的背面上形成有通过柱电极17而连接于 构成主电路的芯片搭载图案14c的二极管D2a的阴极和构成主电路的芯片搭载图案14j的 二极管Dlb的阴极的发射辅助端子用配线16j、16k。将这些发射辅助端子用配线16j、16k 形成为俯视时与正面侧的栅极用配线16c、16d重合而连接到形成于右端侧的、形成于用于 插通控制端子5Aa、5Ab的插通孔16ma、16mb周围的端子连接图案16na、16nb。
[0063] 在此，印刷电路板16的正面和背面的导电图案16b的靠近导电图案16a的端部通 过作为棒状导电连接部件的多个(例如6根)柱电极17b而连接于绝缘基板11A的芯片搭载 图案14c的窄幅部14b，并通过柱电极17b而形成主电路之间的电流通路。
[0064] 而且，印刷电路板16的正面和背面的导电图案16a之间设定为电位彼此相同，同 样地，印刷电路板16的正面和背面的导电图案16b之间也设定为电位彼此相同。
[0065] 另外，在如前所述地将外部连接端子4A?4C以及控制端子5Aa、5Ab、5Ba、5Bb加 压加热接合于绝缘基板11A、11B并保持垂直的状态下，如图5所示地使绝缘基板11A、11B 与印刷电路板16接合。在此情况下，将外部连接端子4A、4B、4C及控制端子5Aa、5Ab、5Ba、 5Bb插通于贯穿设置在印刷电路板16的插通孔16g、16i、16h、16ma、16mb、16ea、16eb。
[0066] 此时，通过设置焊料等接合部件而使在印刷电路板16形成的成为棒状导电连接 部件的柱电极17抵接于第一半导体芯片12A、第二半导体芯片12B和导体图案14。在此状 态下进行回流焊处理，从而使印刷电路板16的柱电极17电气地和机械地与第一半导体芯 片12A、第二半导体芯片12B和导体图案14接合。与此同时，插通孔16i、16ma、16mb、16ea、 16eb与外部连接端子4B、控制端子54 &、5八13、58&、5813通过作为棒状导电连接部件的柱电极 17a而电接合。
[0067] 另外，搭载于芯片搭载图案14c上的半导体芯片12A的集电极以及半导体芯片12B 的阴极通过芯片搭载图案14c而连接于外部连接端子4A。而且，搭载于芯片搭载图案14c 上的半导体芯片12A的发射极以及半导体芯片12B的阳极通过柱电极17而与印刷电路板 16的导电图案16a相通，并且通过柱电极17a而连接于外部连接端子4B。
[0068] 而且，搭载于芯片搭载图案14j上的半导体芯片12A的集电极以及半导体芯片12B 的阴极连接于外部连接端子4C。并且，搭载于芯片搭载图案14j上的半导体芯片12A的发射 极以及半导体芯片12B的阳极通过柱电极17、印刷电路板16的导电图案16b、柱电极17b、 芯片搭载图案14c而连接于外部连接端子4A。
[0069] 并且，搭载于芯片搭载图案14c上的半导体芯片12A的栅极通过柱电极17,并通 过印刷电路板16的栅极用配线16c而连接于控制端子5Ba。同样地，搭载于芯片搭载图案 14j上的半导体芯片12A的栅极通过柱电极17,并通过印刷电路板16的栅极用配线16d而 连接于控制端子5Bb。
[0070] 而且，搭载于芯片搭载图案14c上的半导体芯片12A的发射极通过柱电极17,并通 过印刷电路板16的发射辅助端子用配线16j而连接于控制端子5Aa。同样地，搭载于芯片 搭载图案14j上的半导体芯片12A的发射极通过柱电极17并通过印刷电路板16的发射辅 助端子用配线16k而连接于控制端子5Ab。
[0071] 另外，将绝缘基板11A、11B与印刷电路板16接合之后插入到预定的模具，并将例 如为热固性树脂的环氧树脂材料注入而注塑成型，从而形成图1所示的功率半导体模块1。
[0072] 据此，根据所述的第一实施方式，将外部连接端子4A、4B及4C、控制端子5Aa、5Ab 及5Ba、5Bb通过加压加热接合而固定支撑于绝缘基板11A及11B。关于这一情况下的加压 加热接合，将形成有接合凹部14f、14g、14o、14p、14q的导体图案14的线膨胀系数α 1与 接合于接合凹部14f、14g、14o、14p、14q的外部连接端子4A、4B、4C及控制端子5Aa、5Ab、 5Ba、5Bb的线膨胀系数α2设定为α1〈α2。S卩，作为导体图案14采用线膨胀系数α?为 α 1=16. 5ΧΚΓ6的铜板，而作为外部连接端子4Α?4C以及控制端子54&、5八13、58 &、5813采 用具有a 2=23. IX 10_6的线膨胀系数α 2的铝（Α1)系材料。
[0073] 另外，通过设置含金属微粒浆糊21而将外部连接端子4A、4B、4C以及控制端子 5八3、5413、51^、51313插入到接合凹部14;^148、14〇、及14口、149内，并在利用预定的夹具而沿 着轴向对各外部连接端子4A、4B、4C以及控制端子5Aa、5Ab、5Ba、5Bb在底部接合面F1侧施 加压力的状态下，升温至250°C?300°C左右的接合温度。其中，外部连接端子4A、4B、4C以 及控制端子5八&、5413、51^、51313的线膨胀系数(12被设定为大于接合凹部14;1^、148、14〇、14口、 14q的线膨胀系数α 1。因此，外部连接端子4A、4B、4C以及控制端子5Aa、5Ab、5Ba、5Bb的 半径方向的热膨胀量将伴随着升温而成为比接合凹部14f、14g、14o、14p、14q的半径方向 的热膨胀量大，于是在两者之间产生热应力。这一热应力作为加压力而作用于外部连接端 子4A、4B、4C以及控制端子5Aa、5Ab、5Ba、5Bb的外周面与接合凹部14f、14g、14o、14p、14q 的内周面之间的周向接合面F2。
[0074] 因此，外部连接端子4A、4B、4C以及控制端子5Aa、5Ab、5Ba、5Bb与接合凹部14f、 14g、14〇、14p、14q通过在底部接合面F1和周向接合面F2均作用加压力，从而使得在底部接 合面F1和周向接合面F2均进行加压加热接合。其结果，使外部连接端子4A、4B、4C及控制 端子5Aa、5Ab、5Ba、5Bb与接合凹部14f、14g、14〇、14p、14q的加压加热接合的接合面积扩大 而使加压加热接合的接合强度提高，从而可以提高加压加热接合的可靠性。
[0075] 顺便说明，在现有技术的例中，如图7 (a)和（b)所示，形成了接合凹部14f的导体 图案14的材料与外部连接端子4A的材料均采用作为铜质具有相等的线膨胀系数的材料。 另外，在把浆糊状焊料涂布于接合凹部14f的状态下(参照图7 (a))，将外部连接端子4A插 入到接合凹部14f之后通过预定的夹具而向外部连接端子4A的上端侧施加加压力（参照图 7(b))。在此状态下，例如通过升温至250°C?300°C左右的接合温度从而进行外部连接端 子4A与接合凹部14f之间的加压加热接合。
[0076] 对于这一现有技术例而言，虽然接合凹部14f和与之接合的外部连接端子4A的线 膨胀系数相同，但升温中两者的半径方向的热膨胀量或是相同，或是由于接合凹部14f比 外部连接端子4A的外径稍大，因此接合凹部14f的半径方向的膨胀量成为大于外部连接端 子4A的半径方向的热膨胀量。
[0077] 因此，升温时外部连接端子4A的半径方向的热膨胀量与接合凹部14f的半径方向 的热膨胀量之间没有多大差异，因此外部连接端子4A的外周面与接合凹部14f的内周面的 周向接合面上不会有加压力的作用。其结果，在现有技术例中只有在外部连接端子4A的底 面与接合凹部14f的底面之间的底部接合面F1上有加压力作用，于是加压加热接合只在该 底部接合面F1上得以进行。因此，加压加热接合面积减小，使加压加热接合的有效性降低， 且接合的可靠性下降。
[0078] 但如果按照本实施方式，则由于加压加热接合将如上所述地不仅在底部接合面F1 上进行而且还将在周向接合面F2上进行，因此与现有技术例相比可提高加压加热接合的 接合强度而有效地提高可靠性。
[0079] 此外，不用为了施加朝向周向接合面F2的加压力而提供专门的夹具，而只要将外 部连接端子4A的线膨胀系数设定为大于接合凹部14f的线膨胀系数即可，因此易于进行周 向接合面F2的加压加热接合。
[0080] 而且，功率半导体模块1整体的可靠性也可以得到提高，且制作功率半导体模块1 时的合格率也可以得到提高。
[0081] 另外，在所述的第一实施方式中，对功率半导体模块1的绝缘基板11A与11B分离 的情形进行了说明，然而本发明并不局限于此，在绝缘基板11A与11B成为一体的情况下也 可以应用本发明。
[0082] 并且，在所述的第一实施方式中是对接合凹部为圆形截面且与之接合的外部连接 端子为圆柱的情形进行了说明，然而本发明并不局限于此，接合凹部及外部连接端子的形 状只要是能通过热膨胀差而使接合面上作用加压力的形状就可以采用任意的形状。
[0083] 另外，在所述的第一实施方式中，对将本发明的加压加热接合结构及加压加热接 合方法应用于功率半导体模块1的情形进行了说明，然而本发明并不局限于此。即，本发明 适用于将第一部件与第二部件加压加热接合的情况。
[0084] 在此情况下，第一部件与第二部件并不局限于接合凹部与棒状部件的组合，对于 第一部件和第二部件，也可以将含金属微粒浆糊等接合部件设置于两者之间的接合面，并 用线膨胀系数小于两者的线膨胀系数的支撑部件包围而支撑，并在此状态下升温，据此将 热应力引起的加压力作用于第一部件与第二部件之间的接合面，从而将两者加压加热接 合。简言之，只要将第一部件与第二部件配置成由两者的线膨胀系数差引起的热应力作为 加压力作用于接合面即可。
[0085] 而且，在所述的第一实施方式中，对作为第一部件的导体图案14由铜形成而作为 第二部件的外部连接端子4A?4C、控制端子5Aa、5Ab、5Ba、5Bb由错或错合金形成的情形进 行了说明。本发明并不局限于此，只要采用相对于进行加压加热接合的第一部件的线膨胀 系数而言第二部件的线膨胀系数更大的金属材料即可。
[0086] 其次，参照图8而对本发明的第二实施方式进行说明。
[0087] 在这第二实施方式中是将彼此的线膨胀系数没有大差异的第三部件与第四部件 加压加热接合。
[0088] 即，如图8所示，与前述的第一实施方式相同，在第二实施方式中是将作为第三部 件的功率半导体模块1的绝缘基板11A、11B的半导体图案14和作为第四部件的外部连接 端子4A?4C及控制端子5Aa、5Ab、5Ba、5Bb作为加压加热接合对象，并以外部连接端子4A 为代表进行说明。
[0089] 在该第二实施方式中，外部连接端子4A?4C以及控制端子5Aa、5Ab、5Ba、5Bb均 由材料与构成绝缘基板11A、11B的导体图案14的铜板相同的铜棒形成。并且，如图8的 (a)所示，在绝缘基板11A、11B的导体图案14上的接合外部连接端子4A?4C以及控制端 子5Aa、5Ab、5Ba、5Bb的位置上，取代第一实施方式中的接合凹部而形成有圆筒状的环状突 起31。例如将作为接合部件的含有Ag微粒等金属微粒的浆糊32涂布于该环状突起31内 而使其成为盛满至隆起的状态。
[0090] 然后，如图8(b)所示，在环状突起31的外侧以保留微小间隙的方式安装形成为圆 环状的、用于约束环状突起31的沿半径方向朝外的热膨胀的环状夹具33。该环状夹具33 由相对于外部连接端子4A?4C、控制端子5Aa、5Ab、5Ba、5Bb、以及接合这些外部连接端子 4A?4C和控制端子54 &、5八13、58&、5813的绝缘基板1认、118的线膨胀系数〇1(=16.5\1〇- 6) 而言线膨胀系数较小的例如钛或钛合金构成。在此，钛的线膨胀系数α 3为a 3=8. 6X ΚΓ6， 其线膨胀系数约为铜的一半，并且硬度比铜大。
[0091] 然后，如图8 (c)所不，在环状突起31内插通外部连接端子4Α，并在利用预定的夹 具而在外部连接端子4Α的上端施加朝下方按压的按压力而加压的状态下，利用配置于夹 具的加热器进行加热或者放入加热炉中进行加热，从而使外部连接端子4Α和环状突起31 的温度上升至预定接合温度，例如升温至250°C?300°C。
[0092] 据此，如果使环状突起31和外部连接端子4A升温，则由于两者的线膨胀系数相 等，因此将等量热膨胀。然而由于安装于环状突起31外周的环状夹具33的线膨胀系数α 3 只有环状突起31和外部连接端子4Α的线膨胀系数α 1的一半左右，因此环状突起31的朝 半径方向的热膨胀被环状夹具33阻止。因此，通过在环状突起31的内周面与外部连接端 子4Α的外周面之间的周向接合面F2上作用加压力从而进行加压加热接合。并且，由于环 状突起31的内侧的底面与外部连接端子4Α的底面之间的底部接合面F1上作用着由夹具 造成的加压力，因此得以进行加压加热接合。
[0093] 然后，停止对环状突起31和外部连接端子4Α的加热并降温至常温之后将环状夹 具33从环状突起31卸下，据此形成图8的（d)所示的通过金属微粒而将环状突起31与外 部连接端子4A加压加热接合的加压加热接合结构。
[0094] 与前述的第一实施方式相同，根据该第二实施方式的加压加热接合结构也能在底 部接合面F1和周向接合面F2均进行加压加热接合，因此环状突起31与外部连接端子4A的 加压加热接合得以有效地进行，从而可以确保充分的接合强度，且可以提高接合的可靠性。 因此，可提高加压加热接合结构的可靠性，进而可以提高功率半导体模块1的可靠性。
[0095] 另外，作为使用于所述加压加热接合的加压加热接合装置，可以采用例如图9所 示的构成的加压加热接合装置40。
[0096] 该加压加热接合装置40具有例如用钛或钛合金(线膨胀系数α 3=8. 6 X ΚΓ6)形成 为有底圆筒状的接合装置主体41。在该接合装置主体41的下端内周面上固定有前述的环 状夹具33,而在该环状夹具33的上端侧形成有同时引导并插通外部连接端子4Α的具有比 外部连接端子4Α的外径大的内径的引导孔42。在引导孔42的上端侧固定有对外部连接端 子4Α施以预定的按压力的按压弹簧43。
[0097] 另外，环状夹具33的下端内表面和引导孔42的下端内表面上例如进行C倒角而 使环状突起31及外部连接端子4A的插通易于进行。而且，在接合装置主体41中内置有加 热器44,通过该加热器44而使环状突起31和外部连接端子4A升温至预定的加压加热接合 温度(例如250°C?300°C)。
[0098] 另外，借助于升降机构45而将加压加热接合装置40支撑为可相对于环状突起31 和外部连接端子4A进行升降。
[0099] 当使用该加压加热接合装置40时，是已将含金属微粒浆糊32涂布于导体图案14 的环状突起31的内表面侧之后将外部连接端子4A插通于该环状突起31内的状态。在此 状态下，以使环状突起31的外周面与加压加热接合装置40的环状夹具33的内周面对置的 方式定位而配置加压加热接合装置40。
[0100] 在此状态下，通过升降机构45而使接合装置主体41下降，以使其下降而将环状夹 具33卡合于环状突起31的外周面。伴随着该接合装置主体41的下降，外部连接端子4A 被插通于引导孔42内，且外部连接端子4A通过配置于引导孔42上端的按压弹簧43从上 方以预定按压力被按压。据此，在环状突起31的内侧底面与外部连接端子4A的底面之间 的底部接合面F1上作用加压力。
[0101] 另外，当接合装置主体41下降至预定位置而成为环状突起31的外周面卡合于环 状夹具33的内周面的状态时，由升降机构45而造成的接合装置主体41的下降会停止。然 后，对加热器44通电而使环状突起31和外部连接端子4A升温至预定的加压加热接合温 度，并在该加压加热接合温度下保持预定时间，从而使含金属微粒浆糊的粘结剂成分分解 而使金属微粒露出。
[0102] 在该环状突起31和外部连接端子4A升温时，环状突起31和外部连接端子4A同 时热膨胀，然而由于两者的热膨胀系数没有差异，因此在环状突起31的内周面与外部连接 端子4A的外周面之间的周向接合面F2上不会作用加压力。但因为与环状突起31卡合的 外周的环状夹具33的线膨胀系数α 3小于环状突起31和外部连接端子4A的线膨胀系数 α 1，因此环状突起31的朝半径方向外方的热膨胀被环状夹具33阻止。
[0103] 因此，环状突起31的热膨胀趋向半径方向内侧，与外部连接端子4Α的朝半径方向 外方的热膨胀相辅相成而使环状突起31的内周面与外部连接端子4Α的外周面之间的周向 接合面F2上作用加压力，而在该周向接合面F2上也进行加压加热接合。
[0104] 然后，在经过预定时间以后，停止对加热器44的通电并冷却之后借助于升降机构 45而使加压加热接合装置40上升，使环状夹具33从环状突起31的外周面朝上方脱离。
[0105] 据此，通过使用所述加压加热接合装置40而使加压加热接合得以自动而容易地 进行。此时，对于进行加压加热接合的其他外部连接端子4B、4C以及控制端子5Aa、5Ab、 5Ba、5Bb也分别形成相同的加压加热接合装置40,并将各加压加热接合装置40在一个安装 板上与外部连接端子4B、4C以及控制端子5Aa、5Ab、5Ba、5Bb对置而定位并固定。另外，通 过利用升降机构45而使安装板升降，从而可将外部连接端子4A?4C以及控制端子5Aa、 5Ab、5Ba、5Bb同时加压加热接合于环状突起31内。
[0106] 另外，所述第一实施方式和第二实施方式中的绝缘基板11A、11B并不局限于所 述的构成，而是可以采用将陶瓷材料与铜进行钎焊并通过蚀刻而对铜进行图案化的所谓 的AMB (Active Metal Brazing :活性金属钎焊）基板、以及将陶瓷基板与铜直接接合的 DCB (Direct Copper Bonding:直接覆铜）基板。而且，作为陶瓷基板的材料，可采用氧化错 (A1203)、氮化铝（A1N)、氮化硅（Si3N4)等。并且，还可以取代陶瓷基板而采用树脂基板。简 言之，只要是能够确保绝缘性的基板即可。
[0107] 而且，在所述第一实施方式和第二实施方式中，对第一半导体芯片12A中内置 IGBT的情形进行了说明，然而本发明并不局限于此，在第一半导体芯片12A中既可以内置 功率电场效应晶体管，也可以内置其他的电压控制型半导体元件。
[0108] 并且，在所述第一实施方式和第二实施方式中，对绝缘基板11A、11B上配置多个 第一半导体芯片12A和第二半导体芯片12B的情形进行了说明，然而本发明并不局限于此， 对于可使用晶体管内置二极管的情形和/或采用同步整流方式的情形等，也可以省略续流 二极管而只用功率MOSFET、IGBT等功率半导体元件构成第一半导体芯片12A和第二半导体 芯片12B。
[0109] 而且，由于本发明只凭半导体模块的端子连接的组合即可获得期望的电路构成， 因此本发明并不局限于所述的电力变换用逆变器装置，在使用功率半导体模块的其他电力 变换装置、高频用途的开关1C等其他半导体装置中也可以应用本发明。
【权利要求】
1. 一种加压加热接合结构，使用金属微粒作为接合材料而将两个部件加压加热接合而 成，其特征在于， 将线膨胀系数不同的第一部件与第二部件配置成使产生于该第一部件与第二部件之 间的热应力作为加压力作用于两个部件的接合面，并在将所述金属微粒设置在所述接合面 之间的状态下升温而将所述第一部件与所述第二部件加压加热接合。
2. -种加压加热接合结构，使用金属微粒作为接合材料而将两个部件加压加热接合而 成，其特征在于， 所述两个部件是由线膨胀系数相对较小的第一部件和线膨胀系数相对较大的第二部 件所构成，且在所述第一部件形成接合凹部，并在该接合凹部设置所述金属微粒而卡合所 述第二部件的状态下升温，从而利用所述第一部件与所述第二部件之间产生的热应力而将 加压力施加于所述第一部件与所述第二部件的接合部而进行加压加热接合。
3. 如权利要求2所述的加压加热接合结构，其特征在于，所述第一部件由形成有圆形 截面的所述接合凹部的导电性板材构成，而所述第二部件由圆柱状的端子部件构成。
4. 一种加压加热接合结构，使用金属微粒作为接合材料而将两个部件加压加热接合而 成，其特征在于，具有 ： 第三部件，其具有在中央部形成有嵌合凹部的环状突起； 第四部件，嵌合于该第三部件的嵌合凹部，并具有大小为该第三部件的线膨胀系数以 上的线膨胀系数；和 紧固夹具，具有与所述第三部件的环状突起的外周缘卡合的卡合孔，并具有小于所述 第三部件的线膨胀系数的线膨胀系数， 其中，隔着所述金属微粒而将所述第四部件配置于所述第三部件的嵌合凹部，并在将 所述紧固夹具安装于所述第三部件的外周面的状态下升温，使所述紧固夹具约束所述第三 部件和所述第四部件的热膨胀，从而将加压力施加于所述第三部件与所述第四部件的接合 面而进行加压加热接合。
5. 如权利要求4所述的加压加热接合结构，其特征在于，所述第三部件由形成有圆形 截面的所述环状突起的导电性板材构成，而所述第四部件由圆柱状的端子部件构成。
6. -种加压加热接合方法，其特征在于，具有如下工序： 将彼此接合的线膨胀系数不同的第一部件与第二部件配置成使升温时产生于该第一 部件与第二部件之间的热应力作为加压力作用于所述第一部件与第二部件的接合面的工 序；和 在将所述金属微粒设置在所述接合面之间的状态下升温而将所述第一部件与所述第 二部件加压加热接合的工序。
7. -种加压加热接合方法，其特征在于，具有如下工序： 准备形成有接合凹部的第一部件和具有大于该第一部件的线膨胀系数的线膨胀系数 的第二部件，并将金属微粒作为接合材料而设置于所述第一部件的所述接合凹部并卡合所 述第二部件的工序；和 在通过所述金属微粒而将第二部件卡合于第一部件的所述接合凹部的状态下升温，从 而利用所述第一部件与所述第二部件之间产生的热应力而将加压力施加于所述第一部件 与所述第二部件的接合部而进行加压加热接合的工序。
8. -种加压加热接合方法，其特征在于，具有如下工序： 接合前处理工序，准备具有在中央部形成有接合凹部的环状突起的第三部件、接合于 该第三部件的接合凹部并具有大小为该第三部件的线膨胀系数以上的线膨胀系数的第四 部件、具有与所述第三部件的环状突起的外周缘卡合的卡合孔并具有小于所述第三部件的 线膨胀系数的线膨胀系数的紧固夹具，且在所述第三部件的外周面安装所述紧固夹具，并 将金属微粒作为接合材料设置于所述第三部件的接合凹部后配置所述第四部件以形成接 合预备状态；和 加压加热接合工序，使接合预备状态的第三部件、第四部件以及紧固夹具升温，以使所 述紧固夹具约束所述第三部件和所述第四部件的热膨胀，从而将加压力施加于所述第三部 件与所述第四部件的接合面而进行加压加热接合。
【文档编号】H01L21/603GK104103611SQ201410136723
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2013年4月5日
【发明者】木下庆人, 望月英司, 西泽龙男, 多田慎司 申请人:富士电机株式会社