(57)【要約】【課題】超音波振動を接合対象物に印加する場合に使用される部分が磨耗した場合の部品交換を低コストにて行う。【解決手段】超音波接合装置は、超音波振動を発生させる超音波振動発生部と、超音波振動発生部からの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、接合対象物３に当接される印加面１９を有する印加ブロック１３とを備え、印加ブロック１３は、印加面１９以外の外形形状に円錐台形状部分を有し、超音波ホーン１２に形成された円錐台形状の凹面に円錐台形状部分の表面を接触させて装着されている。【選択図】    図２
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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の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着脱可能に取付けられ、接合対象物に当接される印加面を有する印加ブロックと、
を備え、
前記印加ブロックは、
前記印加面以外の外形形状に円錐台形状部分を有し、
前記超音波ホーンに形成された円錐台形状の凹面に前記円錐台形状部分の表面を接触させて装着されていることを特徴とする超音波接合装置。
【請求項２】
一端が前記印加面に開口する第１吸引通路が前記印加ブロックに形成され、前記印加ブロックを前記凹部に装着した場合に前記第１吸引通路に連通される第２吸引通路が前記超音波ホーンに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】
前記超音波ホーンに第１位置決め部が設けられ、前記印加ブロックを前記凹部に装着した場合に前記第１位置決め部と係合可能な第２位置決め部が前記印加ブロックに設けら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】
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の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着脱可能に取付けられ、接合対象物に当接される印加面を有する印加ブロックと、
を備え、
前記印加ブロックは、
内周部に雌ネジ部を有するリング形状に形成され、
前記超音波ホーンの外周部に形成された雄ネジ部に前記雌ネジ部を螺合させて装着されていることを特徴とする超音波接合装置。
【請求項５】
一端が前記印加面に開口する第１吸引通路が前記印加ブロックに形成され、前記印加ブロックを前記超音波ホーンの外周部に螺合させた場合に前記第１吸引通路に連通される第２吸引通路が前記超音波ホーンに形成されていることを特徴とする請求項４記載の超音波接合装置。
【請求項６】
前記印加ブロックの外周部に前記印加面が複数形成されていることを特徴とする請求項４又は５記載の超音波接合装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか一記載の超音波接合装置を用いて、半導体チップとリードとを接続導体により接続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部材の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超音波ホーンの印加部に凸部を形成し、超音波振動を印加する場合には凸部を接合対象物に食い込ませている。凸部を接合対象物に食い込ませることにより、超音波振動を印加した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接合性能が向上する。
【０００３】
図１１及び図１２は、超音波接合装置１００と、この超音波接合装置１００により荷重と超音波振動を印加されて接合される半導体チップ１０１とリードフレーム１０２と接続導体１０３とを示している。半導体チップ１０１とリードフレーム１０２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とリードフレーム１０２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等が用いられている。
【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。超音波振動発生部１０５に対して、超音波ホーン１０６が着脱可能に連結されている。印加部１０７は超音波ホーン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】
図１１に示すように、印加部１０７を含む超音波ホーン１０６には、接続導体１０３を真空吸着するための中空路１０８が形成されている。印加部１０７における接続導体１０３に当接される印加面１０９には、複数の凸部１１０が形成されている。
【０００６】
接続導体１０３を真空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とリードフレーム１０２とに当接させて荷重を印加した場合に、凸部１１０が接続導体１０３に食い込む。この食い込みが発生することにより、超音波ホーン１０６を介して接続導体１０３に超音波振動が印加された場合に、印加部１０７と接続導体１０３との間での滑りの発生が防止され、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及びリードフレーム１０２に対する超音波振動を利用した接続導体１０３の接合に要する時間を短縮することができ、さらに、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】
【０００７】
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。
【０００８】
印加部１０７の印加面１０９に形成されている凸部１１０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すため、次第に磨耗する。凸部１１０の磨耗量が或る規準量に達すると、凸部１１０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。
【０００９】
そこで、凸部１１０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。
【００１０】
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１１０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。
【００１１】
また、新なた超音波ホーン１０６を超音波振動発生部１０５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の交換作業には手間と時間とがかかっている。
【００１２】
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部分である凸部等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、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】
【００１３】
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の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着脱可能に取付けられ、接合対象物に当接される印加面を有する印加ブロックと、を備え、前記印加ブロックは、前記印加面以外の外形形状に円錐台形状部分を有し、前記超音波ホーンに形成された円錐台形状の凹面に前記円錐台形状部分の表面を接触させて装着されていることである。
【００１４】
本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、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の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着脱可能に取付けられ、接合対象物に当接される印加面を有する印加ブロックと、を備え、前記印加ブロックは、内周部に雌ネジ部を有するリング形状に形成され、前記超音波ホーンの外周部に形成された雄ネジ部に前記雌ネジ部を螺合させて装着されていることである。
【００１５】
本発明の実施の形態に係る第３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６のいずれか一記載の超音波接合装置を用いて、半導体チップとリードとを接続導体により接続することである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、印加ブロックの印加面が磨耗した場合等の部品交換を低コストにて行うことができ、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の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際に使用されるもので、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。接続導体３は、半導体チップ１とリードフレーム２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等が用いられている。
【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からの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の他端側には円錐台形状の凹部１４が形成され、この凹部１４は、超音波ホーン１２の外周側に向かうにつれて拡径する向きに形成されている。超音波ホーン１２には、一端が凹部１４の内周の円錐面に開口し、他端が図示しない真空ポンプに接続される第２吸引通路１５が形成されている。さらに、超音波ホーン１２には、印加ブロック１３を固定するための固定ネジ１６を差し込む差込孔１７が形成されている。差込孔１７の先端部は凹部１４に連通している。
【００２２】
印加ブロック１３は、外形形状が円錐台形状に形成されている。印加ブロック１３は、この印加ブロック１３を凹部１４に装着した場合に、印加ブロック１３の外周の円錐面と凹部１４の内周の円錐面とが接触する外径寸法に形成されている。
【００２３】
印加ブロック１３には、この印加ブロック１３を凹部１４に装着した場合に超音波ホーン１２の外周面より外方に張り出す張出部１８が形成され、張出部１８の先端部には接合対象物である接続導体３に当接される印加面１９が形成されている。印加面１９には、この印加面１９に対して直交する向きに突出する複数の凸部２０が形成されている。
【００２４】
印加ブロック１３には、一端が印加面１９に開口し、他端が円錐面に開口する第１吸引通路２１が形成されている。印加ブロック１３を凹部１４に装着して位置固定した場合に、第１吸引通路２１と第２吸引通路１５とが連通される。
【００２５】
さらに、印加ブロック１３には、差込孔１７に差し込まれた固定ネジ１６が螺合される雌ネジ部２２が形成されている。
【００２６】
超音波ホーン１２への印加ブロック１３の取付けは、印加ブロック１３を凹部１４に装着し、差込孔１７に差し込んだ固定ネジ１６を雌ネジ部２２に螺合させることにより行われている。印加ブロック１３を凹部１４に装着した場合に、印加ブロック１３の外周の円錐面と凹部１４の内周の円錐面とが接触して嵌り合うように印加ブロック１３の外径寸法と凹部１４の内径寸法とが設定されている。
【００２７】
このような構成において、半導体チップ１とリードフレーム２とを接続導体３により接続した半導体装置を製造する場合には、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の印加面１９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に当接させる。印加面１９を接続導体３に当接させた後、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２１と第２吸引通路１５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が印加面１９に真空吸着される。
【００２８】
印加面１９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とを駆動させることにより、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を半導体チップ１とリードフレーム２とに当接させ、荷重を印加する。この荷重の印加により、凸部２０が接続導体３に食い込む。なお、印加ブロック１３の外周の円錐面と凹部１４の内周の円錐面とが接触して嵌り合っているため、印加された荷重を安定して支持することができ、荷重が印加されることに伴う印加ブロック１３の位置ずれが発生しない。
【００２９】
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から接続導体３に印加される。半導体チップ１とリードフレーム２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とリードフレーム２とに対して接続導体３が接合される。
【００３０】
印加ブロック１３から接続導体３に超音波振動を印加する場合に、凸部２０が接続導体３に食い込んでいることにより、印加ブロック１３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及びリードフレーム２に対する超音波振動を利用した接続導体３の接合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。
【００３１】
接合のために接続導体３に超音波振動を印加する場合に、図５に示すように、高周波電力の出力を二段階に可変させることが有効である。第１段階では、高周波電力の出力を低出力とし、印加される超音波振動の振幅を小さくする。この第１段階では、凸部２０を接続導体３に食い込ませることを主目的とする。第２段階では、高周波電力の出力を高出力とし、印加される超音波振動の振幅を大きくする。この第２段階では、接続導体３と半導体チップ１及びリードフレーム２との接合を主目的とし、接合に必要な超音波振動を印加する。
【００３２】
凸部２０が接続導体３に十分に食い込んでいない状態で振幅の大きな超音波振動を印加すると、凸部２０と接続導体３との間で滑りが生じ易く、凸部２０が磨耗しやすい。一方、凸部２０が接続導体３に十分に食い込んだ後は、振幅の大きな超音波振動を印加しても凸部２０と接続導体３との間で滑りが生じにくく、凸部２０の磨耗を抑えることができる。
【００３３】
そこで、凸部２０の接続導体３への食い込み量が小さいうちは高周波電力の出力を低くして印加される超音波振動の振幅を小さく抑え、凸部２０の接続導体３への食い込み量が大きくなった後に高周波電力の出力を高くして印加される超音波振動の振幅を大きくすることにより、凸部２０の磨耗を低減させることができる。
【００３４】
凸部２０を接続導体３に食い込ませた状態で超音波振動の印加を繰り返し行うことにより、凸部２０は次第に磨耗する。凸部２０の磨耗量が一定量に達した場合には、印加ブロック１３を交換する。
【００３５】
印加ブロック１３の交換は、固定ネジ１６を外し、印加ブロック１３を凹部１４から取外し、新しい印加ブロック１３を凹部に装着し、固定ネジ１６を締付けることにより行う。
【００３６】
このように、凸部２０や凸部２０を含む印加面１９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。この印加ブロック１３の交換作業は、固定ネジ１６を緩めて凹部１４から印加ブロック１３を取外し、新しい印加ブロック１３を凹部１４に装着して固定ネジ１６を締付けることにより行うことができ、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２０や凸部２０を含む印加面１９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、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。
【００３７】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について、図６に基づいて説明する。なお、第２の実施の形態及び以下に説明する他の実施の形態において、先行して説明した実施の形態において説明した構成要素については同じ符号を付け、重複する説明は省略する。
【００３８】
第２の実施の形態は、印加ブロック１３が装着される凹部１４Ａが、超音波ホーン１２を貫通させて形成されている。また、印加ブロック１３は、超音波ホーン１２を貫通させて形成した凹部１４Ａの全面にわたって接触する形状に形成されている。印加ブロック１３と凹部１４Ａとの接触面積を増すことが可能であり、印加ブロック１３と凹部１４Ａとの接触面積を増すことにより、印加ブロック１３へより確実に超音波振動を伝達することができる。
【００３９】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態について、図７及び図８に基づいて説明する。
【００４０】
第３の実施の形態は、超音波ホーン１２に形成された凹部１４の縁部に第１位置決め部である位置決めピン３０が形成されている。印加ブロック１３には、印加ブロック１３を凹部１４に装着した場合に位置決めピン３０に係合される第２位置決め部である位置決め溝３１が形成されている。
【００４１】
このような構成において、凹部１４に装着された印加ブロック１３は、位置決め溝３１と位置決めピン３０とが形成されることにより、印加ブロック１３の水平面内での回動方向の向きが常に一定に維持される。
【００４２】
これにより、第１吸引通路２１と第２吸引通路１５とを確実に連通させることができる。また、印加面１９が矩形状である場合に、印加面１９の向きを常に一定に維持することができる。
【００４３】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態について、図９及び図１０に基づいて説明する。
【００４４】
第４の実施の形態の超音波接合装置１０Ａは、超音波振動を発生させる超音波振動発生部１１（図１参照）と、超音波振動発生部１１からの超音波振動が伝播される超音波ホーン１２Ａと、超音波ホーン１２Ａに着脱可能に取付けられる印加ブロック４０とを有している。
【００４５】
印加ブロック４０は、内周部に雌ネジ部４１を有するリング形状に形成されている。超音波ホーン１２Ａの外周部には雄ネジ部４２が形成され、印加ブロック４０は雌ネジ部４１を雄ネジ部４２に螺合させることにより超音波ホーン１２Ａに装着されている。また、雄ネジ部４２には、印加ブロック４０に加えてダブルナットとして機能する固定ナット４３が螺合されている。
【００４６】
印加ブロック４０の外周部には、１８０°離間した位置に位置する２つの張出部４４が形成されている。張出部４４の先端部には接合対象物である接続導体３に当接される印加面４５が形成されている。印加面４５には、この印加面４５に対して直交する向きに突出する複数の凸部４６が形成されている。
【００４７】
印加ブロック４０には、一端が印加面４５に開口し、他端が内周面に開口する第１吸引通路４７が形成されている。超音波ホーン１２Ａには、一端が雄ネジ部４２の周面に開口し、他端が図示しない真空ポンプに接続される第２吸引通路４８が形成されている。印加ブロック４０を超音波ホーン１２Ａの雄ネジ部４２に螺合させた場合に、第１吸引通路４７と第２吸引通路４８とが連通される。
【００４８】
なお、２つの張出部４４のうち、接続導体３の接合に用いられない側の張出部４４には、第１吸引通路４７を閉止するためのキャップ４９が被せられている。
【００４９】
このような構成において、半導体チップ１とリードフレーム２とを接続導体３により接続した半導体装置を製造する場合には、第１の実施の形態において説明したように、接続導体３を張出部４４の印加面４５に真空吸着させ、真空吸着された接続導体３をステージ６上に載置された半導体チップ１とリードフレーム２とに当接させ、荷重を印加して凸部４６を接続導体３に食い込ませる。さらに、超音波振動を印加する。この荷重と超音波振動との印加により、半導体チップ１とリードフレーム２とに対して接続導体３が接合される。
【００５０】
凸部４６を接続導体３に食い込ませた状態で超音波振動の印加を繰り返し行うことにより、凸部４６は次第に磨耗する。一方の張出部４４に形成された凸部４６の磨耗量が一定量に達した場合には、印加ブロック４０を１８０°回転させ、他方の張出部４４を使用して接合を行う。そして、２つの張出部４４の凸部４６の磨耗量がともに一定量に達した場合には、印加ブロック４０を交換する。
【００５１】
印加ブロック４０の交換は、印加ブロック４０を超音波ホーン１２Ａの外周部から外し、新しい印加ブロック４０の雌ネジ部４１を超音波ホーン１２Ａの雄ネジ部４２に螺合させることにより行う。
【００５２】
このように、凸部４６や凸部４６を含む印加面４５が磨耗した場合には、超音波ホーン１２Ａについては交換することなく、印加ブロック４０のみを交換している。この印加ブロック４０の交換作業は、超音波ホーン１２Ａから印加ブロック４０を取外し、新しい印加ブロック４０を超音波ホーン１２Ａの雄ネジ部４２に螺合させることにより行うことができ、印加ブロック４０の交換時に超音波ホーン１２Ａの平行度調整などを行う必要がない。このため、凸部４６や凸部４６を含む印加面４５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、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。
【００５３】
なお、第４の実施の形態では、外周部に２つの張出部４４を形成した印加ブロック４０を例に挙げて説明したが、印加ブロック４０の外周部に形成する張出部４４は３つ以上設けることも可能である。形成する張出部４４の数を多くすることにより、１つの張出部４４に形成された凸部４６が磨耗した場合には他の張出部４４を使用することができ、印加ブロック４０の交換寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の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】接合時に印加する超音波振動の振動を可変することを説明するグラフである。
【図６】本発明の第２の実施の形態における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７】本発明の第３の実施の形態における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８】印加ブロックを示す底面図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態における超音波接合装置の一部を断面にして示す側面図である。
【図１０】印加ブロックを示す正面図である。
【図１１】従来例の超音波接合装置を示す側面図である。
【図１２】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部との位置関係を示す正面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１…半導体チップ、３…接続導体，接合対象物、１１…超音波振動発生部、１２…超音波ホーン、１２Ａ…超音波ホーン、１３…印加ブロック、１４…凹部、１４Ａ…凹部、１５…第２吸引通路、１９…印加面、２１…第１吸引通路、３０…第１位置決め部、３１…第２位置決め部、４０…印加ブロック、４１…雌ネジ部、４２…雄ネジ部、４５…印加面、４６…凸部、４７…第１吸引通路、４８…第２吸引通路
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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