(57)【要約】【課題】超音波接合装置における超音波を印加する印加部が磨耗した場合、この磨耗に対応する部品交換を低コストで行う。【解決手段】超音波接合装置において、超音波振動発生部から超音波振動が伝播される超音波ホーン１２と、超音波ホーン１２に形成されて少なくとも一部にテーパ形状の側壁面１５ａを有する取付凹部１５と、錐台形状を有する挿入頭部１９と挿入頭部１９から延出する軸部２０と軸部２０の先端側に形成されて接合対象物３に当接される印加部２１とを有する印加ブロック１３と、挿入頭部１９が取付凹部１５に挿入された場合に軸部２０の周囲に対面する部位に形成される雌ネジ部１６と、軸部２０が挿通される挿通穴部２５と雌ネジ部１６に螺合される雄ネジ部２６と挿入頭部１９を取付凹部１５の側壁面１５ａに押圧する押圧部２８とを有する固定部材１３とを備える。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動を発生させる超音波振動発生部と、
前記超音波振動発生部から超音波振動が伝播される超音波ホーンと、
前記超音波ホーンに形成され、少なくとも一部にテーパ形状の側壁面を有する取付凹部と、
前記取付凹部に着脱可能に配置され、この取付凹部の前記側壁面に面接触する錐台形状を有する挿入頭部と、この挿入頭部が前記取付凹部に挿入された場合に前記取付凹部の外方に向けて前記挿入頭部から延出する軸部と、この軸部の先端側に形成されて接合対象物に当接される印加部とを有する印加ブロックと、
前記挿入頭部が前記取付凹部に挿入された場合に前記軸部の周囲に対面する部位に形成される雌ネジ部と、
前記軸部が挿通される挿通穴部と、外周面に形成されて前記雌ネジ部に螺合される雄ネジ部と、前記雄ネジ部を前記雌ネジ部に螺合させた場合に前記挿入頭部に当接してこの挿入頭部を前記取付凹部の円錐台形状の前記表面に押圧する押圧部とを有する固定部材と、
を備えることを特徴とする超音波接合装置。
【請求項２】
前記取付凹部の底面に位置決め溝が形成され、前記挿入頭部の先端に前記位置決め溝と係脱可能な位置決め突起が形成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波接合装置。
【請求項３】
前記軸部が円柱状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波接合装置。
【請求項４】
前記軸部の外周面と前記固定部材の前記挿通穴部の表面との間に隙間を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一記載の超音波接合装置。
【請求項５】
前記固定部材の外周側に角柱部が形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一記載の超音波接合装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一記載の超音波接合装置を用い、半導体チップとリード端子とを接続導体により接続して半導体装置を製造することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波接合装置及び半導体装置の製造方法に関し、特に、荷重と超音波振動とを接合対象物に印加して接合を行う超音波接合装置及びこの超音波接合装置を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１に記載されているように、接合対象物に荷重と超音波振動とを印加することにより接合対象物の接合を行う超音波接合装置が知られている。このような超音波接合装置では、荷重と超音波振動とを接合対象物に印加する印加部が超音波ホーンに形成され、印加部が接合対象物に当接される。印加部には、接合対象物に食い込むことが可能な形状に形成された凸部が設けられている。凸部が接合対象物に食い込んでいることにより、超音波振動を印加する場合に印加部と接合対象物との間で滑りが生じにくくなり、印加部から接合対象物に超音波振動が効率良く印加され、超音波振動を利用した超音波接合の性能が向上する。
【０００３】
図６及び図７は、超音波接合装置１００と、半導体チップ１０１と、リードフレーム１０２と、接続導体１０３とを示している。リードフレーム１０２は複数のリード端子を１０２ａ，１０２ｂを有し、リード端子１０２ａ上に半導体チップ１０１がボンディングされ、半導体チップ１０１とリード端子１０２ｂとが接続導体１０３を介して超音波接合されている。リードフレーム１０２と半導体チップ１０１とは、半導体製造装置のステージ１０４上に載置されている。接続導体１０３は、半導体チップ１０１とリード端子１０２ｂとの間を通電可能とする部材であり、例えば、板状、箔状に形成されたアルミニウムが用いられている。
【０００４】
超音波接合装置１００は、超音波振動を発生させる超音波振動発生部１０５と、発生した超音波振動が伝播される超音波ホーン１０６とを有し、超音波ホーン１０６の端部には印加部１０７が形成されている。超音波ホーン１０６は、超音波振動発生部１０５側に対して着脱可能に連結されている。印加部１０７は、超音波振動を印加する接続導体１０３に当接される部分であり、超音波ホーン１０６に一体に形成され、超音波ホーン１０６の外周部における１８０°離間した位置に２つ形成されている。
【０００５】
印加部１０７の先端には、接続導体１０３に食い込み可能な形状に形成された複数の凸部１０８が設けられている。また、超音波ホーン１０６には、一端が印加部１０７の端面に開口する吸引通路１０９が形成され、吸引通路１０９の他端側は真空ポンプ（図示せず）に接続されている。
【０００６】
超音波接合を行う場合には、真空ポンプを駆動させることにより印加部１０７の先端に接続導体１０３を吸着し、接続導体１０３を吸着した超音波接合装置１００を下降させ、接続導体１０３を半導体チップ１０１とリード端子１０２ｂとに押付ける。ついで、超音波振動発生部１０５を駆動させ、超音波振動発生部１０５で発生した超音波振動を超音波ホーン１０６を伝播させ、印加部１０７から接続導体１０３に超音波振動を印加する。
【０００７】
これにより、凸部１０８が接続導体１０３に食い込み、この食い込みにより超音波振動が印加される場合の印加部１０７と接続導体１０３との間の滑りが防止され、接続導体１０３に対して超音波振動が効率良く印加される。このため、半導体チップ１０１及びリード端子１０２ｂに対する接続導体１０３の超音波接合を短時間で行うことができ、しかも、接合状態の品質を高めることができる。
【特許文献１】特開２００１−３３４３７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した超音波接合装置では、以下の点について配慮がなされていない。
【０００９】
印加部１０７及び印加部１０７に形成されている凸部１０８は、超音波振動の印加時に接続導体１０３との間で接離を繰り返し、次第に磨耗する。凸部１０８を含む印加部１０７の磨耗量が或る規準量に達すると、凸部１０８の接続導体１０３に対する食い込み性能が低下し、印加部１０７から接続導体１０３への超音波振動の印加性能が低下する。印加部１０７から接続導体１０３への超音波振動の印加性能が低下すると、超音波振動を利用した接続導体１０３の超音波接合に要する時間が長くなり、また、接合状態の品質が低下する。
【００１０】
そこで、凸部１０８を含む印加部１０７の磨耗量が或る基準量に達した場合には、印加部１０７を含む超音波ホーン１０６を全体として交換している。
【００１１】
超音波ホーン１０６は高価な部材であり、この高価な超音波ホーン１０６を凸部１０８を含む印加部１０７の磨耗量に応じて定期的に交換しなければならないため、超音波接合装置１００のランニングコストが高くなっている。
【００１２】
また、新たな超音波ホーン１０６を超音波振動発生部１０５側に連結する場合には、超音波ホーン１０６の平行度調整などを行う必要があり、超音波ホーン１０６の交換作業に要する手間と時間とがかかっている。
【００１３】
本発明はこ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、超音波振動を接合対象物に印加するために用いられる超音波接合装置における超音波を印加する印加部が磨耗した場合、この磨耗に対応する部品交換を低コストで行うことができ、しかも、この部品交換を手間をかけずに短時間で行うことができる超音波接合装置及びこの超音波接合装置を用いた半導体装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、超音波接合装置において、超音波振動を発生させる超音波振動発生部と、前記超音波振動発生部から超音波振動が伝播される超音波ホーンと、前記超音波ホーンに形成され、少なくとも一部にテーパ形状の側壁面を有する取付凹部と、前記取付凹部に着脱可能に配置され、この取付凹部の前記側壁面に面接触する錐台形状を有する挿入頭部と、この挿入頭部が前記取付凹部に挿入された場合に前記取付凹部の外方に向けて前記挿入頭部から延出する軸部と、この軸部の先端側に形成されて接合対象物に当接される印加部とを有する印加ブロックと、前記挿入頭部が前記取付凹部に挿入された場合に前記軸部の周囲に対面する部位に形成される雌ネジ部と、前記軸部が挿通される挿通穴部と、外周面に形成されて前記雌ネジ部に螺合される雄ネジ部と、前記雄ネジ部を前記雌ネジ部に螺合させた場合に前記挿入頭部に当接してこの挿入頭部を前記取付凹部の円錐台形状の前記表面に押圧する押圧部とを有する固定部材と、を備えることである。
【００１５】
本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、半導体装置の製造方法において、請求項１ないし５のいずれか一記載の超音波接合装置を用い、半導体チップとリード端子とを接続導体により接続して半導体装置を製造することである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、超音波接合装置における接合対象物に超音波を印加する印加部が磨耗した場合、超音波ホーン全体を交換することなく印加部を含む印加ブロックのみを交換することができ、超音波を印加する印加部の磨耗に対応する部品交換を低コストで行うことができ、しかも、この部品交換を手間をかけず短時間で行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１８】
本発明の一実施の形態に係る超音波接合装置を含む半導体装置の製造装置Ａは、図１及び図２に示すように、半導体チップ１とリードフレーム２のリード端子２ｂとを接合対象物である接続導体３により接続した半導体装置を製造する場合に使用される。この製造装置Ａは、ベース４と、ベース４の一端側に取付けられた水平方向移動テーブル５と、ベース４の他端側に取付けられたステージ６とを有している。半導体チップ１とリードフレーム２とは、ステージ６上に載置されている。リードフレーム２は複数のリード端子２ａ，２ｂを有し、リード端子２ａ上に半導体チップ１がボンディングされている。接続導体３は、半導体チップ１とリード端子２ｂとの間を通電可能とする部材であり、例えば、板状、箔状に形成されたアルミニウムが用いられている。
【００１９】
水平方向移動テーブル５は、水平方向における直交する２方向へ移動可能とされている。水平方向移動テーブル５上には、水平方向と直交する上向き方向に延出するガイド７が固定されている。ガイド７には、水平方向移動テーブル５の移動方向と直交する方向である上下方向に移動可能に上下方向移動テーブル８が取付けられている。上下方向移動テーブル８には保持部９が取付けられ、保持部９には超音波接合装置１０が着脱可能に保持されている。
【００２０】
超音波接合装置１０は、超音波振動を発生させる超音波振動発生部１１と、超音波振動発生部１１で発生した超音波振動が伝播される超音波ホーン１２と、超音波ホーン１２に着脱可能に取付けられる印加ブロック１３と、印加ブロック１３を固定する固定部材１４とを有している。
【００２１】
超音波ホーン１２は、長尺状に形成された部材であり、一端が超音波振動発生部１１側に対して着脱可能に連結されている。超音波ホーン１２の他端側には、テーパ形状の側壁面１５ａを有する取付凹部１５と、雌ネジ部１６とが形成されている。取付凹部１５は、超音波ホーン１２の外周面側に向かうにつれて拡径する向きに形成されている。雌ネジ部１６は、取付凹部１５の拡径方向の先端側に位置して形成されている。取付凹部１５の底面には、スリット状の位置決め溝１７が形成されている。超音波ホーン１２の内部には、第１吸引通路１８が形成されている。第１吸引通路１８の一端は取付凹部１５の底面に開口され、第１吸引通路１８の他端は図示しない真空ポンプに接続されている。
【００２２】
印加ブロック１３は、挿入頭部１９と、軸部２０と、軸部２０の先端側に形成された印加部２１とを有している。
【００２３】
挿入頭部１９は、平行に対向する２つの端面１９ａ，１９ｂを有し、取付凹部１５の側壁面１５ａに面接触可能な円錐台形状に形成されている。２つの端面１９ａ，１９ｂは、一方の端面１９ａが他方の端面１９ｂに比べて小径に形成されている。挿入頭部１９を取付凹部１５に挿入した場合に小径側の端面１９ａが取付凹部１５の底面に対向し、この小径側の端面１９ａには、位置決め溝１７に係合する位置決め突起２２が形成されている。なお、本実施の形態では、挿入頭部１９を円錐台形状に形成した場合を例に挙げているが、角錐台形状に形成してもよい。この場合、取付凹部１５の側壁面は、角錐台形状の挿入頭部１９に面接触する角型に形成される。
【００２４】
軸部２０は、円柱状に形成され、かつ、挿入頭部１９の端面１９ｂの直径寸法より小さい直径寸法に形成され、端面１９ｂからこの端面１９ｂと直交する向きに延出して設けられている。軸部２０の長さ寸法は、挿入頭部１９を取付凹部１５に挿入して印加ブロック１３を超音波ホーン１２に取付けた場合に、印加部２１が超音波ホーン１２の外周面より外側へ延出する寸法に設定されている。
【００２５】
印加部２１の先端には、接続導体３などの接合対象物に対して食い込み可能な形状に形成された複数の凸部２３が設けられている。
【００２６】
印加ブロック１３の内部には、第２吸引通路２４が形成されている。第２吸引通路２４の一端は印加部２１の先端に開口され、第２吸引通路２４の他端は位置決め突起２２の先端面に開口されている。挿入頭部１９を取付凹部１５に挿入して印加ブロック１３を超音波ホーン１２に取付けた場合、第２吸引通路２４と第１吸引通路１８とが連通される。
【００２７】
固定部材１４は筒形状に形成されており、中央部に断面形状が円形である挿通穴部２５が形成され、外周面に雄ネジ部２６と角柱部２７とが形成され、挿通穴部２５の中心線方向に沿った一端側に押圧部２８が形成されている。角柱部２７は、固定部材１４の外周面における雄ネジ部２６の一端側に形成され、スパナが嵌合される形状に形成されている。
【００２８】
固定部材１４は、印加ブロック１３を超音波ホーン１２に固定するための部材であり、雄ネジ部２６を超音波ホーン１２の雌ネジ部１６に螺合させることにより超音波ホーン１２に着脱可能に取付けられている。挿入頭部１９を取付凹部１５に挿入した後、固定部材１４の雄ネジ部２６を雌ネジ部１６に螺合させることにより、印加ブロック１３の軸部２０が挿通穴部２５に挿通され、押圧部２８が挿入頭部１９の端面１９ｂに当接され、挿入頭部１９が取付凹部１５の側壁面１５ａに押圧される。挿通穴部２５の内径寸法が軸部２０の外径寸法より大きく設定され、軸部２０の外周面と挿通穴部２５の表面との間には隙間２９が設けられている。
【００２９】
このような構成において、半導体チップ１とリード端子２ｂとに接続導体３を超音波接合した半導体装置を製造する場合には、まず、ステージ６上にリードフレーム２と半導体チップ１とをセットする。ついで、水平方向移動テーブル５と上下方向移動テーブル８とを駆動させることにより超音波接合装置１０を水平方向及び上下方向に移動させ、印加ブロック１３の印加部２１を接続導体供給部（図示せず）に載置されている接続導体３に当接させ、真空ポンプを駆動させる。真空ポンプが駆動されることにより、第１吸引通路１８と第２吸引通路２４とを介して真空ポンプ側に向かう空気の流れが発生し、接続導体３が印加部２１に真空吸着される。
【００３０】
印加部２１に接続導体３を真空吸着した後、水平方向移動テーブル５と上下方向移動テーブル８とを駆動させ、真空吸着した接続導体３をステージ６の上方に搬送し、搬送した接続導体３を図２に示すように半導体チップ１とリード端子２ｂとに当接させ、接続導体３に下向きに荷重を印加する。この荷重の印加により、凸部２３が接続導体３に食い込む。
【００３１】
接続導体３に予め設定した値の荷重を印加した後、超音波振動発生部１１において超音波振動を発生させる。発生した超音波振動は超音波ホーン１２を介して印加ブロック１３に伝播され、印加ブロック１３の印加部２１から接続導体３に印加される。半導体チップ１とリード端子２ｂとに接触している接続導体３に荷重が印加され、さらに、この接続導体３に超音波振動が印加されることにより、半導体チップ１とリード端子２ｂとに対して接続導体３が超音波接合される。
【００３２】
印加部２１から接続導体３に超音波振動を印加する場合に、凸部２３が接続導体３に食い込んでいることにより、印加部２１と接続導体３との間での滑りの発生が防止され、接続導体３に対して超音波振動が効率良く印加される。このため、半導体チップ１及びリード端子２ｂに対して接続導体３を超音波接合するために要する時間を短縮することができ、また、接合状態の品質を高めることができる。
【００３３】
超音波ホーン１２に取付けられた印加ブロック１３は、超音波ホーン１２に形成された取付凹部１５の側壁面１５ａと、円錐台形状の挿入頭部１９とが面接触し、この面接触する方向へ向けて固定部材１４の押圧部２８により押圧されている。このため、超音波ホーン１２への印加ブロック１３の取付状態が安定し、超音波ホーン１２から印加ブロック１３への超音波振動の伝播を良好に行うことができる。また、印加部２１から接続導体３に荷重を印加する場合、印加される荷重の反力を側壁面１５ａと円錐台形状の挿入頭部１９との面接触部で受けることができ、荷重の印加を安定して行うことができる。
【００３４】
接続導体３への超音波振動の印加を、凸部２３が接続導体３に食い込んだ状態で繰り返し行うことにより、凸部２３を含む印加部２１が次第に磨耗する。凸部２３を含む印加部２１の磨耗量が一定量に達した場合には、印加ブロック１３を新しいものに交換する。
【００３５】
印加ブロック１３の交換は、固定部材１４を取外し、印加ブロック１３を取付凹部１５から取外し、新しい印加ブロック１３を取付凹部１５に装着し、固定部材１４を締付けることにより行う。
【００３６】
固定部材１４の取外しと締付けとは、角柱部２７にスパナを嵌合させ、スパナを回して雄ネジ部２６と雌ネジ部１６との螺合を解除し、又は、螺合させることにより行う。スパナによる固定部材１４の取外しと締付けとは、スパナを超音波ホーン１２と平行な向きに差し込んで行うことができ、狭い作業スペース内で行うことができる。このため、超音波ホーン１２とベース４との間のスペースが狭い場合でも、印加ブロック１３の交換を容易に行うことができる。
【００３７】
新しい印加ブロック１３を取付凹部１５に装着する場合、印加ブロック１３の挿入頭部１９に形成されている位置決め突起２２を、取付凹部１５に形成されている位置決め溝１７に係合させる。これにより、印加ブロック１３の装着位置を一定に維持することができ、印加ブロック１３を交換した場合でも超音波ツール１２から印加ブロック１３への超音波振動の伝播状態を一定に維持することができる。
【００３８】
取付凹部１５に装着された印加ブロック１３を固定部材１４で固定する場合、印加ブロック１３の軸部２０が固定部材１４の挿通穴部２５に挿通される。しかし、軸部２０と挿通穴部２５との間には隙間２９が設けられているため、固定部材１４の雄ネジ部２６を雌ネジ部１６に螺合させる作業中に固定部材１４が軸部２０に接触するということが発生せしない。このため、軸部２０が挿通穴部２５の内周面に接触して軸部２０が変位するということが発生せず、印加ブロック１３の取付精度を向上させることができる。
【００３９】
印加ブロック１３を超音波ホーン１２に固定する部品である固定部材１４は、印加ブロック１３とは別体に設けられ、印加ブロック１３の軸部２０の周囲を囲む形状に形成している。このため、印加ブロック１３を大型化することなく、固定部材１４に形成される雄ネジ部２６と、雄ネジ部２６と噛み合う雌ネジ部１６とを大径に形成することができる。これにより、雄ネジ部２６と雌ネジ部１６との結合力を高めることができ、超音波ホーン１２への印加ブロック１３の取付状態を安定させることができる。また、印加ブロック１３の小型化を図ることができ、交換部品である印加ブロック１３の低コスト化を図ることができる。
【００４０】
軸部２０を含む印加ブロック１３、及び、固定部材１４は、円柱形状を基本として形成されている。このため、角柱形状に形成した場合に比べると、製造時の加工精度を高めることができ、印加ブロック１３を超音波ホーン１２に取付けた場合の取付制度を向上させることができる。これにより、印加ブロック１３や固定部材１４の加工精度が原因となるがたつきが発生しにくくなり、超音波ホーン１２から印加ブロック１３への超音波振動の伝播を効率良く安定して行うことができる。
【００４１】
このように、凸部２３を含む印加部２１が磨耗した場合には、超音波ホーン１２については交換することなく、印加ブロック１３のみを交換することができる。この印加ブロック１３の交換作業は、固定部材１４を取外して取付凹部１５から印加ブロック１３を取外し、新しい印加ブロック１３を取付凹部１５に装着して固定部材１４を締付けることにより行うことができる。しかも、印加ブロック１３の交換時に超音波ホーン１２の平行度調整などを行う必要がない。このため、凸部２３を含む印加部２１が磨耗した場合の部品交換を低コストにて行うことができ、この部品交換を手間をかけずに短時間で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る超音波接合装置を含む半導体装置の製造装置の概略構造を示す側面図である。
【図２】接合作業時における、半導体チップとリードフレームと接続導体と印加ブロックとの位置関係を示す正面図である。
【図３】超音波ホーンへの印加ブロックの取付状態を示す縦断側面図である。
【図４】超音波ホーンへの印加ブロックの取付状態を示す分解して示す側面図である。
【図５】印加ブロックと固定部材とを示す分解斜視図である。
【図６】従来例の超音波接合装置を示す側面図である。
【図７】接合作業時における、半導体チップとリード端子と接続導体と印加部との位置関係を示す正面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…半導体チップ、２ａ…リード端子、３…接合対象物，接続導体、１０…超音波接合装置、１１…超音波振動発生部、１２…超音波ホーン、１３…印加ブロック、１４…固定部材、１５…取付凹部、１５ａ…側壁面、１６…雌ネジ部、１７…位置決め溝、１９…挿入頭部、２０…軸部、２１…印加部、２２…位置決め突起、２５…挿通穴部、２６…雄ネジ部、２７…角柱部、２８…押圧部、２９…隙間
【図１】
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【図２】
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【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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