(57)【要約】【課題】  半導体チップ１１と基板１２との間のはんだ１４の接合状態を低コストで実施するはんだ接合の検査装置の提供。【解決手段】  検査対象物１０の表面近傍に設けられたワイヤボンディング装置のボンディングヘッド１中に含まれる超音波発振器と、この検査対象物１０の裏面に設けられ、超音波発振装置から検査対象物１０を通して伝達した超音波を受振する超音波受振子６と、超音波受振子６で受振した超音波の波形により検査対象物１０のはんだ接合状態を判断する判断装置８とを備える。【選択図】図１
2010267864.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと基板とが、はんだ接合されてなる検査対象物の表面近傍に設けられたワイヤボンディング装置のボンディングヘッド中に含まれる超音波発振器と、
この検査対象物の裏面に設けられ、超音波発振装置から検査対象物を通して伝達した超音波を受振する受振子と、
受振子で受振した超音波の波形により検査対象物のはんだ接合状態を判断する判断装置と
を備えることを特徴とするはんだ接合の検査装置。
【請求項２】
前記受振子に、検査対象物の裏面に沿って移動可能にする移動装置が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のはんだ接合の検査装置。
【請求項３】
前記受振子を複数個備えることを特徴とする請求項１に記載のはんだ接合の検査装置。
【請求項４】
半導体チップと基板とが、はんだ接合されてなる検査対象物の表面近傍に設けられたワイヤボンディング装置のボンディングヘッド中に含まれる超音波発振器から当該検査対象物に対して超音波を発振すると共に、
この検査対象物の裏面に設けられた受振子により超音波発振器から検査対象物を通して伝達した超音波を受振し、
この受振子で受振した超音波の波形により検査対象物のはんだ接合状態を判断することを特徴とするはんだ接合の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだ接合の検査装置及びはんだ接合の検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップと基板とは、はんだ付けにより接合されている。はんだ付けは、半導体チップの半導体素子と基板上に形成された電極とを接続すると共に、半導体素子から発せられる熱を基板に伝達する役割を持っている。そのため、はんだ付け部に気泡やぬれ不良によるはんだ付け不良が発生していると、基板の放熱性能の低下やはんだの熱応力を招き、その結果、はんだに歪みが集中して亀裂が発生する懸念がある。
【０００３】
半導体と基板間のはんだ接合状態を検査する方法として、検査対象物の全部又は一部をゲル材料からなる超音波伝播媒体で包み、水中で検査対象物に超音波を照射し、そのエコー波を測定することによって超音波探傷する方法がある（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２３３１８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の検査手法は、検査する前準備に、ゲル材を検査対象物に密着させ、水中に浸漬させる作業工程の手間と時間を要する。また、検査のためにゲル材を検査対象物ごとに要する。これらのことから、検査がコスト高になる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、検査対象物の表面近傍に設けられた超音波発振器から当該検査対象物に対して超音波を発振すると共に、この検査対象物の裏面に設けられた受振子により超音波発振器から検査対象物を通して伝達した超音波を受振し、この受振子で受振した超音波の波形により検査対象物のはんだ接合状態を判断することを要旨とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、超音波発振器がワイヤボンディング装置に備えるものであって、この超音波発振器と受振子とが検査対象物を挟むように設けられた検査装置によりはんだ接合状態を検査することから、水中での検査が不要であり、かつ、検査対象物を包むゲルを準備することが不要である。したがって、検査工程の検査時間を短縮することができ、ひいては低コストで検査をすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施例のはんだ接合の検査装置の一実施例の模式図である。
【図２】ワイヤボンダの模式図である。
【図３】半導体モジュールの説明図である。
【図４】はんだの接合の検査方法の説明図である。
【図５】はんだの接合の検査方法の説明図である。
【図６】はんだの接合の検査方法の説明図である。
【図７】はんだの接合の検査方法の説明図である。
【図８】はんだの接合の検査方法の説明図である。
【図９】半導体モジュールのはんだ欠陥の発生部位と超音波印加位置との関係を示す図である。
【図１０】本発明の別の実施例の装置を構成する超音波受振ユニットの模式的な平面図である。
【図１１】本発明の別の実施例の装置を構成する超音波受振ユニットの模式的な平面図である。
【図１２】本発明の別の実施例の装置を構成する超音波受振ユニットの模式的な平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明に係るはんだ接合の検査装置の一実施例の全体図である。図１に示す本実施例のはんだ接合の検査装置は、はんだ接合されている半導体モジュール１０を検査する装置であって、図２に示すようなワイヤボンダが具備している超音波発振子を活用している。より具体的には、図１に示す本実施例のはんだ接合の検査装置は、ワイヤボンダのボンディングヘッド１内に設けられている超音波発振子を備えている。
【００１０】
ワイヤボンダは、図２の模式図に示すように、ボンディングヘッド１内に超音波発振子、例えばＰＺＴ等からなる圧電素子を備えている。このボンディングヘッド１には、半導体モジュール１０の表面に対向してボンディングツール２が取り付けられていて、ボンディングヘッド１の超音波発振子から発振された超音波振動がボンディングツール２に伝達される。ボンディングツール２の近傍には、ワイヤガイド３と、ワイヤカッタ４が設けられている。ワイヤガイド３は、ボンディングワイヤ５を案内してボンディングツール２の先端部に送給する。また、ワイヤカッタ４は、超音波接合後のボンディングワイヤ５を切断する。図２に示したワイヤボンダを、図１に示した本実施例のはんだ接合の検査装置で用いている。なお、図１及び図２において、同一部材については同一符号を付している。
【００１１】
図１に示した本実施例のはんだ接合の検査装置では、半導体モジュール１０の裏面には、超音波受振子６が設けられている。超音波受振子６は、圧電素子を用いることができる。この超音波受振子６は、移動装置７により、半導体モジュール１０の裏面に当接可能になっている。この移動装置７は、半導体モジュール１０の表面に平行な平面内に移動可能な構成とすることもできる。
【００１２】
超音波受振子６には、判断装置８が接続され、この判断装置８に超音波受振子６が受振した超音波の波形が入力される。判断装置８は、はんだ１４に欠陥が生じていないときの超音波波形を記憶しているメモリを備えると共に、超音波受振子６から入力された超音波波形と、メモリに記憶されたはんだ１４に欠陥が生じていないときの超音波波形とを比較して、超音波受振子６から入力された超音波波形が、はんだに欠陥が生じているか否かを判定する演算装置を備え、はんだに欠陥が生じているか否かの判定結果を出力する。なおの判断装置８は一例であり、このような判断装置８の構成に限定されない。
【００１３】
本実施例のはんだ接合の検査装置により検査される半導体モジュール１０の一例を図３に斜視図（同図（ａ））及び正面図（同図（ｂ））でそれぞれ示す。図３の半導体モジュール１０は、パワーデバイス半導体の半導体チップ１１と、電極１３が表面上に形成された絶縁基板１２とが、はんだ１４によって接合されているものである。
【００１４】
本実施例のはんだ接合の検査装置を用いた半導体モジュール１０のはんだ１４の検査方法を、図４〜８を用いて説明する。なお、図４〜８において、図１に示した装置部材と同一部材については同一符号を付しているため、重複する説明は省略する。
【００１５】
まず、ボンディングワイヤ５と半導体チップ１１とを接合するため、一定の力でボンディングワイヤ５とボンディングツール２とを半導体チップ１１上に密着させる（図４）。続いて、半導体チップ１１における、ボンディングツール２の先端部がボンディングワイヤ５を介して接している部分から垂線を厚み方向に下ろして半導体チップ１１の裏面へ達した位置に超音波受振子６を、密着するように設置する（図５）。ボンディングツール２及び超音波受振子６それぞれの配置が終了した後、ボンディングワイヤ５を半導体チップ１１に超音波接合するために、超音波をボンディングヘッド１から発振する。そして、この時に発生した超音波を超音波受振子６にて受振する。図６に示す断面図では、超音波振動を矢印Ａで示した。そして、超音波受振子６にて受振した信号を、図１に示した判断装置８に入力することにより、ボンディングツール２が接している位置での半導体チップ１１のはんだ欠陥の有無を判定する。
【００１６】
ある位置での超音波接合が終了したら、ワイヤボンダのボンディングツール２及び超音波受振子６と、半導体モジュール１０とを、半導体モジュール１０の表面に平行な面内で相対移動させる（図７）。相対移動は、例えば半導体モジュール１０を支持しているＸＹテーブルなどによって行うことができる。また、超音波受振子６は、移動装置７によって半導体モジュール１０の表面に平行な面内で相対移動させることもできる。これらの相対移動後に、上述したのと同様に、半導体チップ１１の表裏面に、ボンディングワイヤ５とボンディングツール２に密着させると共に、超音波受振子６を、密着するように設置する。ボンディングツール２及び超音波受振子６それぞれの配置が終了した後、超音波をボンディングヘッド１から発振し、半導体モジュール１０を通した超音波を超音波受振子６にて受振する。この受振した信号を判断装置８に入力して、ボンディングツール２が接している位置での半導体チップ１１のはんだ欠陥の有無を判定する。ワイヤボンディング時に発せられる超音波は横振動であり、この位置での検査において、はんだ１４に気泡等の空隙１５がある場合には、超音波受振子６に振動を伝えないか、または超音波振動が正常時（欠陥がない時）と比べて減衰する。そのため、事前に正常状態の部分の波形を取得して判断装置８のメモリに記憶しておき、実際にワイヤボンディング時の超音波波形を確認することで、はんだ接合状態を確認することができる。なお、判定は波形の出力の大小でもよいし、波形の有無でも構わない。
【００１７】
半導体モジュール１０の表面における、ある位置でのはんだ１４のはんだ欠陥の有無の判定と、半導体モジュール１０の表面に平行な面内でのボンディングツール２及び超音波受振子６の相対移動とを、必要回数で繰り返す。図８は、この相対移動を矢印Ｂの方向に一定のピッチで繰り返したときの例を示し、超音波振動が半導体モジュール１０に加えられた位置Ｃを矢印で示している。この相対移動を半導体モジュール１０の表面に平行な面内において、一次元的に行うばかりでなく、二次元的に行う。図９は、はんだ１４の平面図であって、このはんだ１４の平面内に空隙１５が生じている例において、超音波振動を加える位置Ｃを円錐形で示した。このようにはんだ１４の平面内で二次元的に超音波振動を半導体モジュール１０に加えることによって、空隙１５が発生している位置を検出することができ、これにより、はんだ付け状態を二次元的に確認することが可能となる。
【００１８】
なお、半導体モジュール１０の表面内で超音波振動を加える位置Ｃは、検査する半導体モジュール１０に応じて適宜に定めればよい。例えば、絶縁基板１２の電極１３とボンディングワイヤ５で電気的に接続すべき半導体チップ１１のボンディングパッドの位置が、超音波振動を加える位置Ｃとして十分に足りる場合には、そのボンディングパッドの位置のみ超音波振動を加えればよい。また、必要に応じて、ボンディングパッドの位置以外の位置にもはんだ状態の検査のための超音波振動を加えて、二次元的により詳細にはんだ付け状態を検査することもできる。
【００１９】
このはんだ１４の接合状態を本実施例のはんだ接合の検査装置により検査するときは、ボンディングヘッド１からボンディングツール２を介して半導体モジュール１０に超音波振動を加え、この半導体モジュール１０裏面に設けた超音波受振子６により、はんだ１４を通して伝達された超音波振動を受振する。超音波受振子６で受振された超音波の波形の信号は判断装置８に入力され、この判断装置８からはんだに欠陥が生じているか否かの判定結果が出力される。このため、従来技術のように検査のためにゲル材を必要とせず、また、そのゲル材を検査対象物に密着させ、水中に浸漬させる作業工程の手間と時間が不要である。したがって、低コストではんだ状態を検査することができる。しかも、検査後にゲル材を分離する作業を必要とせず、また、検査対象物の半導体モジュール１０に欠陥が発生していない物であったときは、検査後の半導体モジュール１０をそのまま製品として用いることも可能である。
【００２０】
また、本実施例では、超音波によって半導体モジュール１０のはんだ１４の状態を検査するにあたって、超音波発振子に、ワイヤボンダのボンディングヘッド１に内蔵されているものを活用している。このため、既存のワイヤボンダを流用して半導体モジュール１０のはんだ１４の状態を検査することが可能となる。したがって、はんだ接合の検査装置の製作コストを低減することができる。
【００２１】
更に、半導体モジュール１０の半導体チップ１１と絶縁基板１２上の電極１３とをワイヤボンダを用いてボンディングワイヤ５で電気的に接続する、半導体モジュール１０の作製工程時に、半導体モジュール１０のはんだ１４のはんだ接合状態を検査することができるので、半導体モジュール１０を作製した後に、新たに、はんだ接合を検査する時間を用意しなくて済む。したがって、後の検査工程を省くことが可能になる。
【００２２】
次に、本発明の別の実施例を図１０〜１２を用いて説明する。
【００２３】
図１０は、複数の超音波受振子６を格子上に配置してなる超音波受振ユニット６０の模式図である。この超音波受振ユニット６０は、検査する半導体モジュール１０と同じ程度の大きさを有している。超音波受振子６のそれぞれは、図１に示した判断装置８に接続され、各超音波受振子６が受振した超音波振動の波形を判断装置８に出力する。
【００２４】
超音波受振ユニット６０を用いた本実施例における、半導体モジュール１０のはんだ１４の検査方法を、図１１及び１２を用いて説明する。図１１において、半導体モジュール１０の各超音波受振子６のうち、斜線を入れてあるものが、ボンディングヘッド１からの超音波振動を受振した超音波受振子６である。ここにおいて、ボンディングヘッド１と接続するボンディングツール２の先端部を、各超音波受振子６に対応するような移動ピッチで移動させる。ボンディングヘッド１の動作は、先に説明した実施例と同じにすればよい。
【００２５】
図１２に、はんだ１４に空隙１５が形成されている半導体モジュール１０の例にボンディングヘッド１から超音波振動を加え、半導体モジュール１０を通して超音波受振ユニット６０で超音波を受振したときに、特定の超音波受振子６が受振した超音波波形が、他の超音波受振子６の超音波波形とは異なっていることを模式的に示している。この波形が異なる超音波を受振した超音波受振子６を図中では空白で示し、そのような超音波受振子６が存在している領域を領域Ｄで示した。この領域Ｄの超音波受振子６の超音波波形が変化したのは、その領域で、空隙１５等のはんだ欠陥が発生しているからである。したがって、本実施例において、超音波受振ユニット６０を用いてことによっても、半導体モジュール１０のはんだ状態を検査することができる。
【００２６】
この超音波受振ユニット６０を、図１に示した超音波受振子６の代わりに半導体モジュール１０の裏面に当接可能に配置する。本実施例は、超音波受振ユニット６０以外は図１に示した実施例と同じ構成を有している。したがって、本実施例は、図１に示した実施例と同様に、以下の効果を有している。すなわち、従来技術のように検査のためにゲル材を必要とせず、また、そのゲル材を検査対象物に密着させ、水中に浸漬させる作業工程の手間と時間が不要である。したがって、低コストではんだ状態を検査することができる。しかも、検査後にゲル材を分離する作業を必要とせず、また、検査対象物の半導体モジュール１０に欠陥が発生していない物であったときは、検査後の半導体モジュール１０をそのまま製品として用いることも可能である。
【００２７】
また、本実施例では、超音波によって半導体モジュール１０のはんだ１４の状態を検査するにあたって、超音波発振子に、ワイヤボンダのボンディングヘッド１に内蔵されているものを活用している。このため、既存のワイヤボンダを流用して半導体モジュール１０のはんだ１４の状態を検査することが可能となる。したがって、はんだ接合の検査装置の製作コストを低減することができる。
【００２８】
更に、半導体モジュール１０の半導体チップ１１と絶縁基板１２上の電極１３とをワイヤボンダを用いてボンディングワイヤ５で電気的に接続する、半導体モジュール１０の作製工程時に、半導体モジュール１０のはんだ１４のはんだ接合状態を検査することができるので、半導体モジュール１０を作製した後に、新たに、はんだ接合を検査する時間を用意しなくて済む。したがって、後の検査工程を省くことが可能になる。
【００２９】
本実施例は、以上述べた効果に加えて、半導体モジュール１０を通した超音波振動を超音波受振ユニット６０により受振するので、先の実施例のように、超音波受振子６をそれぞれのワイヤボンディング部位に移動装置７等により平面的に移動させる必要がなくなり、よって、ワイヤボンディングを連続的に行うことが可能となる。
【００３０】
以上述べた各実施例において、半導体モジュール１０は本発明のはんだ接合の検査装置における検査対象物に相当し、以下同様に、半導体チップ１１は本発明の半導体チップに、絶縁基板１２は本発明の基板に、ワイヤボンダは本発明のワイヤボンディング装置に、ボンディングヘッド１は本発明のボンディングヘッドに、超音波発振子２は本発明の超音波発振器に、超音波受振子６は本発明の受振子に、判断装置８は本発明の判断装置に、それぞれ相当する。
【００３１】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【符号の説明】
【００３２】
１  ボンディングヘッド
２  ボンディングツール
３  ワイヤガイド
４  ワイヤカッタ
５  ボンディングワイヤ
６  超音波受振子
７  移動装置
８  判断装置
１０  半導体モジュール
１１  半導体チップ
１２  絶縁基板
１３  電極
１４  はんだ
１５  隙間
【図１】
2010267864.tif 000003
【図２】
2010267864.tif 000004
【図３】
2010267864.tif 000005
【図４】
2010267864.tif 000006
【図５】
2010267864.tif 000007
【図６】
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【図７】
2010267864.tif 000009
【図８】
2010267864.tif 000010
【図９】
2010267864.tif 000011
【図１０】
2010267864.tif 000012
【図１１】
2010267864.tif 000013
【図１２】
2010267864.tif 000014