(57)【要約】【課題】  はんだ接合部中のボイド、界面の接合不良を低減可能なダイボンダ、及びこれを用いたダイボンドプロセスを提供する。【解決手段】  リードフレーム、又は基板に半導体チップをはんだで接合するダイボンダにおいて、上記リードフレーム、又は基板を搬送する搬送部と、上記リードフレーム、又は基板上にはんだを供給するはんだ供給部と、上記リードフレーム、又は基板上のはんだに半導体チップを搭載、接合する搭載部を備え、上記はんだを上記リードフレーム、又は基板上に供給した後に、炉内で溶融しているはんだ表面の酸化膜を除去する表面清浄化ユニットを有することを特徴とするダイボンダ設備により、ダイボンド品質を向上させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の被接合部材をはんだによる接合部を形成して接合するダイボンダ装置において、
前記被接合部材にはんだを供給するはんだ供給手段と、
前記被接合部材に供給するはんだの表面酸化膜を、ガスを用いて還元して除去する表面清浄化手段と、
前記はんだの還元に用いたガスを排気する排気手段と、
前記はんだを加熱して溶融させる加熱手段と、
前記表面酸化物を除去され前記被接合部材に供給された溶融はんだに、他の被接合部材を接合する接合手段を備えたことを特徴とするダイボンダ装置。
【請求項２】
請求項１記載のダイボンダ装置において、
前記表面清浄化手段は、大気圧中でプラズマ処理を行うことにより、前記酸化膜を除去することを特徴とするダイボンダ装置。
【請求項３】
請求項１記載のダイボンダ装置において、
前記表面清浄化手段は、レーザー照射を行うことにより、前記酸化膜を除去することを特徴とするダイボンダ装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のダイボンダ装置において、
前記ガスは、水素と不活性ガスの混合ガスであり、
前記表面清浄化手段の近傍で水素濃度が高く、前記表面清浄化手段から離れるにつれて水素濃度が減少していく濃度分布となるように炉内の雰囲気を構成することを特徴とするダイボンダ装置。
【請求項５】
請求項４記載のダイボンダ装置において、
炉内の水素濃度は４％以下に抑えることを特徴とするダイボンダ装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のダイボンダ装置において、前記排気手段は、吸引することにより前記ガスを排気することを特徴とするダイボンダ装置。
【請求項７】
請求項２記載のダイボンダ装置において、
前記排気手段は、前記表面清浄化手段のプラズマを発生するノズルの外周に一体に設けられた排気口により排気を行うことを特徴とするダイボンダ装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のダイボンダ装置において、
前記表面清浄化手段と前記接合手段との間に仕切部材を設け、前記排気手段は前記仕切部材よりも前記表面清浄化手段側に設けられていることを特徴とするダイボンダ装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載のダイボンダ装置において、
前記はんだが供給される前の被接合部材を清浄化する第２の清浄化手段を備えたことを特徴とするダイボンダ装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載のダイボンダ装置において、
前記被接合部材に供給され、前記他の被接合部材が接合させる前の前記はんだの表面清浄化処理を行う第３の清浄化手段を備えたことを特徴とするダイボンダ装置。
【請求項１１】
複数の被接合部材をはんだによる接合部を形成して接合するダイボンド方法において、
前記被接合部材に供給するはんだの表面の酸化膜を、ガスを用いて還元して除去し、する表面清浄化工程と、
前記はんだの還元に用いたガスを排気する工程と、
前記酸化膜を除去したはんだを被接合部材に供給する工程と、
前記はんだを加熱して溶融させる工程と、
前記表面酸化物を除去され前記被接合部材に供給された溶融はんだに、他の被接合部材を接合する工程と、
を含むことを特徴とするダイボンド方法。
【請求項１２】
請求項１１記載のダイボンド方法において、
前記表面清浄化工程では、前記はんだに大気圧中でプラズマ処理を行うことを特徴とするダイボンド方法。
【請求項１３】
請求項１１記載のダイボンド方法において、
前記表面清浄化工程では、前記はんだにレーザー照射を行うことを特徴とするダイボンド方法。
【請求項１４】
請求項１１乃至１３のいずれかに記載のダイボンド方法において、
前記表面清浄化工程を行う位置の近傍で水素濃度が高く、その位置から離れるにつれて水素濃度が減少していくことを特徴とするダイボンド方法。
【請求項１５】
請求項１１乃至１４のいずれかに記載のダイボンド方法において、
前記排気工程では、吸引によって前記ガスを排出することを特徴とするダイボンド方法。
【請求項１６】
請求項１４記載のダイボンド方法において、
前記水素濃度は４％以下であることを特徴とするダイボンド方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイボンダ装置、及びダイボンド方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リードフレームを用いた半導体装置は、一般的に、リードフレームのランド部に半導体チップを搭載し、半導体チップの電極とリードフレームの電極をワイヤボンディングなどの手法により電気的に接続する。その後、半導体チップ及び前記ワイヤボンディングなどの配線部周囲を樹脂でモールドし、樹脂部より外側のリードフレーム部分を、所定のリード形状になるように切断し、個々の半導体装置を得る。
【０００３】
半導体装置では、リードフレームと半導体チップの接続は接着剤を用いることが多いが、大電流、大電力などを扱う半導体装置では、半導体チップに発生した熱をランド部に伝達させ、半導体装置外部に熱を効率的に逃がす必要があるため、一般的に接着剤より熱伝導率の良いはんだを用いて半導体チップとリードフレームを接合している。
【０００４】
リードフレームに半導体チップを搭載し、はんだを用いて接合するダイボンダ装置としては、特開２０００−２１６１７４号公報（特許文献１）などで開示されている。ここで開示されている内容は、リードフレームにはんだを介して半導体ペレットをマウントするダイボンダであり、半導体ペレットをマウントする前に溶融半田を上下動し軸周りに回転する攪拌棒を用いて攪拌するものであるが、作業時間短縮のため、装置の動作速度を速めると攪拌棒が溶融半田を飛び散らせてしまうという問題があり、これを解決したものである。
【０００５】
解決手段としては、カバーで覆われたガイドレール上を加熱されて間欠移動するリードフレームに定量のはんだを供給する半田供給部と、リードフレーム上で溶融したはんだを攪拌棒で攪拌する半田攪拌部と、攪拌された溶融はんだ上に半導体ペレットを供給する半導体ペレット供給部を順次配置したダイボンダで、前記攪拌棒の少なくとも溶融半田と接触する面を加熱する手段を設けるものである。
【０００６】
また、特開２００９−２８３７０５号公報（特許文献２）では、はんだ攪拌棒にリードフレームの表面と平行な方向に振動させることが可能な超音波振動子を設け、接合部のボイドを低減させるダイボンダが開示されている。
【０００７】
他には、はんだを供給する際に、はんだ供給ノズルから一旦はんだ溶融アームを介してリードフレームにはんだを供給し、はんだの酸化膜を表面に集中させることなくはんだ内部に拡散させることが可能なダイボンダ装置が、特開２００１−１７６８９３号公報（特許文献３）に開示されている。
【０００８】
特開２００８−１９２９６５号公報（特許文献４）には、はんだを供給した後、溶融した状態のはんだ表面に酸化膜が発生したとしても、はんだぬれ性を確保するために、針状の尖った針部を有する治具をはんだ表面の酸化膜に突き刺して攪拌することで、酸化膜を破壊して除去する方式が示されている。特許文献４には、他に、フラックスなどの還元剤や、還元性ガスを吹き付ける方式も示されている。
【０００９】
リードフレーム以外の部材を用いた半導体装置としては、パワー半導体、パワーモジュールなどにおいては、主に銅系の材料からなる放熱ベース基板と絶縁基板との接続、或いは、絶縁基板とダイオードなどの半導体デバイスとの接続等が、大面積のはんだ接続により行なわれていて、上記と同様のダイボンドプロセスを適用することが可能である。これらの大面積のはんだ接続部においては、性能確保、信頼性確保のために、はんだ接合部中のボイド低減が重要となっている。
【００１０】
上記以外の大面積のはんだ接合を行なう方式として、はんだペーストをリードフレーム、または基板に、印刷、或いはディスペンサーにより供給し、これに半導体チップを搭載してから加熱炉にいれ、はんだを溶融させ、リードフレーム、または基板と半導体チップ間を接合するプロセスもよく用いられている。このプロセスでは、加熱炉として、炉内を真空にできる真空リフロー炉が用いられることが多い。即ち、まずはんだペーストを溶融させて有機成分の還元作用により部材への濡れを確保してから、全体を真空引きして、接合部中からボイドを排除するものである。その後、全体を冷却させるが、冷却後には、フラックス残渣が残り、洗浄工程を伴う場合が多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−２１６１７４号公報
【特許文献２】特開２００９−２８３７０５号公報
【特許文献３】特開２００１−１７６８９３号公報
【特許文献４】特開２００８−１９２９６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記の既に開示されているダイボンダに関する公知例では、はんだが供給された後に、攪拌棒などによりはんだの表面の酸化膜を破壊して分散させるか、或いははんだ供給時にはんだの酸化膜をはんだ内部に拡散させるのみで、接合部には酸化膜が残るプロセスとなっていた。
【００１３】
これらの酸化膜が界面に残った場合には、はんだと被接合材とのぬれを阻害し、ボイドを発生させたり、酸化膜が挟まったような接合不良の原因となる。また、はんだ内部に酸化膜を分散させた場合でも、除去されていないため、はんだ内部でのボイドにつながる。更に、はんだの機械的特性、熱伝導特性の低下にもつながってしまう。
【００１４】
このようにボイドの発生、界面の接合不良は、はんだ接続部の熱抵抗の増加、放熱性の低下につながり、半導体装置としての必要な性能が確保できないという問題を引き起こす。また、接合強度も低下する。このため、熱疲労特性が低下し、長期的な信頼性が確保できない。これらの大面積のはんだ接合が行なわれる半導体デバイスは、一般的にパワー半導体、パワーモジュールの用途が多く、エアコン、パソコンなどの家電用途の半導体装置の他に、自動車機器、鉄道、産業機器などにも用いられ、性能、信頼性に影響するはんだ接合部の品質は非常に重要となっている。また、今後は、パワー半導体でも小型化が必要であり、且つ熱抵抗を低減させるために、はんだの厚みが薄くなる傾向もあり、更にダイボンド接合部のボイドの制御、ぬれの確保が重要となっている。
【００１５】
また、還元性ガスにより炉内で溶融した状態のはんだ表面を処理して酸化膜を除去する方式に関して記述があるが、除去プロセスでの反応生成物の処理については考慮されていない。これらの反応生成物は、効率的に除去しなければ、周囲の部材、炉内を汚染させ、接合界面の接合部以外でも品質低下を招く。また、還元性ガスとして、水素プラズマ等を用いる場合には、通常の炉内雰囲気の場合に比較し、プラズマ処理用に必要なガス量が増え、高コストとなる可能性がある。
【００１６】
一方、はんだペーストを使用した接合方式では、ボイド発生の要因は、溶剤成分の揮発、及びはんだと有機成分との反応物が分解ガスとして発生することなどによると考えられ、これを除去するために真空リフロー炉にて真空引きを行なっている。しかし、真空に引くためにバッチ処理が必要であること、冷却後には、フラックス残渣が残るため、洗浄工程が必要であることなどから、製造プロセスが長くなり、低コスト化の阻害要因となっている。
【００１７】
以上から、接合部中のボイドを低減し、或いは界面の接合不良を低減する無洗浄のダイボンドプロセス、及びこれを実現するダイボンダ設備が必要となっている。また、処理のコストを低減可能な設備が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、炉内の雰囲気中で、複数の被接合部材をはんだによる接合部を形成して接合するダイボンドにおいて、被接合部材に供給するはんだを、ガスをを用いて表面酸化膜を還元除去してから被接合部材に供給するとともに、近傍に設けられた排気口より還元により生じた反応生成物を含むガスを除去する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、リードフレーム、又は基板に供給したはんだの酸化膜量が、半導体チップを接合する時点で既に低減しているため、半導体チップとのはんだ接合部において、ボイドの発生、およびはんだと被接合部材との界面でのぬれ不良を抑えることができる。即ち、はんだの酸化膜が界面に残った場合は、はんだと被接合材との界面でボイドが発生したり、接合不良につながっていたが、これらの課題を防止可能である。
【００２０】
そのため、はんだ接続部の放熱性を確保でき、半導体装置として必要な性能を得ることが可能である。また、ボイドが低減できるため接合強度が確保でき、長期的な信頼性が保障可能である。また、半導体チップ周辺のフィレットの形状も良好になり、機械的強度を確保することができる。
【００２１】
更に、従来のはんだペーストを使用した方式と比較して、冷却後の洗浄工程が必要ないため、無洗浄で高品質なダイボンド接合部を得ることができる。
【００２２】
また、水素使用量を低減することができ、処理コストを下げることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のダイボンダの主要部分を示す図である。
【図２】本発明の表面清浄化ユニットの例を示す図である。
【図３】ボイド、ぬれ不良が生じるときの様子を模式的に示した図である。
【図４】フィレット形状の不良部を示す図である。
【図５】本発明のはんだ表面清浄化ユニットで処理したのちのダイボンド接続部を模式的に示した図である。
【図６】本発明のダイボンダ炉内に水素濃度分布を示す図である。
【図７】本発明の別のダイボンダの主要部分を示す図である。
【図８】本発明の別のダイボンダの主要部分を示す図である。
【図９】本発明の別のダイボンダの主要部分を示す図である。
【図１０】本発明の別の表面清浄化ユニットの例を示す図である。
【図１１】本発明の別の表面清浄化ユニットの例を示す図である。
【図１２】従来のダイボンダの主要部分を示す図である。
【図１３】本発明の別の表面清浄化ユニットの例を示す図である。
【図１４】表面清浄化工程を他の工程と雰囲気を壁で仕切ったダイボンダ装置の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【実施例１】
【００２５】
図１は、本発明のはんだ表面清浄化ユニットを有するダイボンダの主要部分の拡大図である。このダイボンダ１は、外気を遮断するためにカバー２で覆われた炉内に、被接合部材であるリードフレーム、又は基板３を間欠的に移動させるガイドレール４を有し、リードフレーム、又は基板３の移動方向５に沿ってカバー（炉）２上面の所定位置に４つの開口窓６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを有するものである。ダイボンドプロセスに沿って説明すると、第１の工程は、はんだの供給工程であり、長尺の線はんだ７をリードフレーム、又は基板３に、開口窓６ａを通して供給する。詳細にこの工程を説明すると、はんだ供給ノズル９から送り出された線はんだ７は、ヒーター８によって下面を加熱されたリードフレーム、又は基板３に接触して、線はんだ７の先端が溶融してリードフレーム、又は基板３にぬれ、はんだが供給される（供給されたはんだ１０）。
【００２６】
図１に示した本発明のダイボンダの第２の工程では、開口窓６ｂからはんだ成形棒１１が下降して供給されたはんだ１０を押し、リードフレーム、又は基板３上で所望の形状にぬれ広がらせる（ぬれ広がったはんだ１２）。
【００２７】
第３の工程では、開口窓６ｃに設置された表面清浄化ユニット１３により、リードフレーム、又は基板３上で所望の形状にぬれ広がったはんだ１２の表面の酸化膜の除去、或いは低減処理を行なう（表面清浄化処理を行なったはんだ１４）。従って、表面清浄化処理を行なったはんだ１４の表面のＳｎ酸化膜量は、従来の表面清浄化ユニット１３の無い方式より大幅に低減する。
【００２８】
第４の工程では、半導体チップ１５を吸着したコレット１６が下降し、ぬれ広がったはんだ１４に半導体チップ１５を搭載、接合させる。これによりリードフレーム、又は基板３上に、はんだ接続部１７を介して半導体チップ１５が接合される。これらのダイボンド接合部１７の品質としては、従来の方式よりボイド率（溶融はんだの単位体積あたりに含まれる気泡の容積割合）を抑えることができる。ボイド率は、Ｘ線観察装置、超音波探傷装置等により、測定可能である。
【００２９】
比較のため、図１２に従来のダイボンダ装置１２０を示したが、リードフレーム、又は基板３の移動方向５に沿ってカバー（炉）２上面の所定位置に３つの開口窓６ａ、６ｂ、６ｄを有するものである。第１の工程では、はんだ供給ノズル９から送り出された線はんだ７は、ヒーター８によって下面を加熱されたリードフレーム、又は基板３に接触し、線はんだ７の先端が溶融してリードフレーム、又は基板３にぬれ、はんだが供給される（供給されたはんだ１０）。第２の工程では、はんだ成形棒１１により、所望の形状にぬれ広がり（ぬれ広がったはんだ１２）、第３の工程で、半導体チップ１５を吸着したコレット１６が下降し、ぬれ広がったはんだ１２に半導体チップ１５を搭載、接合させるが（接合部のはんだ１２１）、従来方式では、ぬれ広がったはんだ１２上に存在していた酸化膜は、半導体チップ１５との界面、あるいははんだ内部１２１にそのまま残るものとなり、本発明と全く異なるものである。
【００３０】
図１に示した本発明のダイボンダ装置で、はんだ接合部の品質（ダイボンド品質）をより向上させるために、第２の工程で、開口窓６ｂからはんだ成形棒１１を下降させ、はんだを所望の形状にぬれ広がらせる際に、はんだが不要な箇所にまで飛び散らない範囲で、超音波などの振動を与え、ぬれを促進させても良い。また、リードフレーム、又は基板３と水平方向、あるいは垂直方向、回転方向に数回変位を与えてもぬれを促進することができる。また、成形棒１１の先端に、はんだが所望の形状にぬれ広がりやすいように、溝やくぼみを設け、且つ、はんだの流動性を低下させないように、加熱機能を設けておくとより品質を向上させることができる。
【００３１】
また、第４の工程で半導体チップ１５を搭載、接合させる工程では、ｘ、ｙ、ｚ方向に位置ずれしない程度の振幅で動作させたり、超音波振動等を与えて、ぬれを促進させてもよい。これにより、より品質向上が期待できる。また、表面の酸化膜の影響をより排除するために、半導体チップ１５をリードフレーム、又は基板３の表面と平行に、ほぼ横方向から進入させてもよい。これにより、酸化膜を半導体チップの先端部のエッジで排除しながら搭載することができる。或いは、コレット１６をつばのある形状とすることで、前記コレット１６のつばを用いて酸化膜を接合部から排除してもよい。これによっても、品質向上が期待できる。
【００３２】
これらのプロセスは、フラックスを用いないフラックスレスのプロセスであるため、ダイボンダ１内のカバー２で覆われた部分（炉）は、はんだ表面を酸化し難くするため、外気（大気）と遮断し、カバー（炉）２内部の雰囲気は窒素、或いは窒素と水素の混合ガスなどで充填し、なるべく内部に残留する酸素濃度を低く保つ必要がある。このため、リードフレーム、又は基板３のカバー（炉）２内部への入り口１８、出口１９の形状はなるべく小さくして、外部からの酸素の進入を低減させることが重要である。
【００３３】
はんだ表面清浄化ユニット１３の一例を図２に示すが、リードフレーム、又は基板３上の溶融したはんだ１２の表面に、大気圧中で、ノズル２１を用いてプラズマ処理を行うものである。ノズル２１は主に対向電極２２と誘電体２３で構成され、電極には電源２４が接続されている。処理用のガスはガス導入口２５から導入され、電源２４により電極間に電界を印加することにより、プラズマ２６を発生させるものである。なお、誘電体２３の材料としては、ガラス、石英ガラス、アルミナなどであるが、これに限定されるものではない。
【００３４】
ここで、処理用のガスは本プラズマ装置の雰囲気として用いている窒素と水素の混合ガスを用いた。水素の濃度は高い方が表面を清浄化できる能力が高いが、防爆構造が必要となり高コストとなるため、爆発限界以下の４％程度のものを用いることが望ましい。このように生成した水素プラズマを用いて、溶融しているはんだ１２の表面を処理するが、このとき、反応生成物が発生する。
【００３５】
はんだ表面の酸化膜のうちSnO2についての反応式を示すと、
（化１）
SnO2  ＋  4H＊  →  Sn  ＋  2H2O
となり、はんだの表面に主に存在する錫の酸化物はSnに還元されるが、H2Oが炉内に発生してしまうことになる。
【００３６】
これら生成物を放置すると、リードフレーム、又は基板３の周囲が汚染され、且つ、連続的に処理すると炉内２も汚染されるため、排気口２７をノズル２１近傍に配置した。
【００３７】
排気口２７は単にカバー（炉）２の外側への通気用の管による自然排気ではなく、羽根車などで吸引力を与えて吸引する強制排気の方がより反応生成物の除去に効果がある。これにより連続的に処理しても、品質低下を起こすことはない。
【００３８】
また、図２の例では、排気口２７は表面清浄化ユニット１３のノズル２１近傍に配置したが、図１３の例のように、ノズル２１の外周を取り巻くリング状に排気口２７を設け、一体型の構造としてもよい。即ち、ノズル中央部には、プラズマが発生し、リードフレームまたは基板３に向かってプラズマが噴出する穴が開いているが、この外周に排気口２７が連続で設置され、この外周部の穴から反応生成物を吸引するものであり、一体型の構造であり、形状としてもコンパクトである。
【００３９】
次にこのような発明に至った理由を説明する。従来、ダイボンドによる大面積のはんだ接続部にはボイド不良が多く見られた。このボイドはダイボンダ炉内を窒素、或いは窒素と水素の混合ガスなどで充填しても、酸素が残留し、この残留酸素によってはんだが酸化することが主要因と推定されていた。そこで、各種酸素濃度条件で半導体チップを基板にダイボンド実験を行なった。この結果、リードフレーム、または基板３に供給した線はんだ７の表面酸化膜がボイド発生に関与していることがわかった。この結果を図３に示す。
【００４０】
図３は、従来のダイボンドプロセスの場合の、はんだぬれの模式図を示したものである。通常の線はんだ７は、はんだ材質、製造条件、保管条件によって厚みの違いはあるが、表面には必ず酸化膜４７が存在する。従って第１の工程でリードフレーム、又は基板３上に線はんだが接触し、溶融したはんだが供給された時点で、供給されたはんだ１０上には線はんだ７由来の酸化膜４１が載っていることがわかった。そして、次の工程ではんだ成形棒１１により、リードフレーム、又は基板３上に供給されたはんだ１０を押してぬれ広がらせても、基本的には、ぬれ広がったはんだ１２上に酸化膜４２が残っていた。
【００４１】
通常、ダイボンドプロセスでは、窒素、或いは窒素と水素の混合ガスを雰囲気ガスに用いて、カバー２に覆われた部分（炉）での酸素濃度が低くなるように制御している。一方、はんだ材料として多く用いられる組成は、Ｓｎを主成分としたはんだであり、はんだ表面は通常Ｓｎの酸化膜に覆われている。しかし、Ｓｎの酸化膜は安定であること、及び、ダイボンドプロセスは単位時間あたりの生産数を確保するために各処理工程をなるべく短時間で行なうことが望ましいため、高温に保持できる時間も短く、水素が混合してある雰囲気中でも、はんだが接合する２００℃から３００℃程度では酸化膜の還元はあまり期待できないことがわかった。従って、ぬれ拡がったはんだ上には酸化膜４２が除去されずに必ず残る。このため、これに半導体チップ１５を搭載して、接合させても酸化膜４２により接合が阻害される。即ち、酸化膜４２は一部が破壊、分散されるが（破壊・分散された酸化膜４５）、ボイド４３やぬれ不良４４につながることがわかった。
【００４２】
ぬれ広がったはんだ１２の表面を攪拌したり、半導体チップ１５を搭載する際に超音波振動を与える工夫などを行なっても、酸化膜４２の破壊、分散は促進されるが、結局、酸化膜４２を除去できずに接合層中に残存する。更に、炉内の残留酸素の量が多い場合には、はんだ表面に残った酸化膜４２が半導体チップ１５周囲の滑らかなフィレット形成を阻害し、図４に示したように、いびつなフィレット形状４６になることが判った。
【００４３】
以上の検討結果を纏めると、水素を含む還元性の雰囲気中でも、通常のはんだ付け温度近傍、及び、通常の量産プロセスでの各処理時間では、はんだ表面のＳｎ酸化膜の還元・除去はあまり期待できない。また、表面に残った酸化膜は、その後のプロセスで機械的に破壊・分散させてもはんだ接合部に残り、ボイド、ぬれ不良、フィレット形状不良を引き起こす。また、一般的にはんだは一度酸化膜除去を行なっても、周囲に酸素が存在すると、すぐに酸化膜が形成される。酸化膜は、高温であるほど成長しやすい。従って、半導体チップ１５を搭載、接合する直前に、溶融した状態のはんだ１２の表面の酸化膜４２を除去することが、ダイボンド品質の確保のために重要であることが判った。
【００４４】
このため、溶融したはんだ１２に半導体チップ１５を搭載、接合する直前の工程に、はんだ清浄化ユニット１３を設けることとした。このとき、酸化膜を除去する方式としては、機械的な方式では接合部中に残渣が残存するため効果がなく、残渣が接合部中に残らない方式が必要であることがわかった。且つ反応生成物の影響を除外することが重要である。
【００４５】
次に、このようなはんだ表面清浄化ユニット１３を用いて、リードフレーム、又は基板３に半導体チップを接合、搭載する直前に溶融したはんだ１２の表面を処理するダイボンドプロセスにより、品質が向上する理由を説明する。
【００４６】
図５は、表面清浄化ユニット１３を用いた場合のダイボンドプロセスのはんだ酸化膜の変化を示す。線はんだ７の表面に残る酸化膜４７は、リードフレーム、または基板３に線はんだを供給したときに、溶融したはんだ１０上に酸化膜４１として残り、その後、第２の工程であるスパンカ工程でも酸化膜４２として溶融したはんだ１２の表面に残っているが、はんだ表面清浄化ユニット１３を通過すると、はんだ１４の表面酸化膜の量は大幅に低減する。このため、このように酸化膜の少ないはんだ１４に、第４の工程で、半導体チップ１５を搭載、接合させると、接合部にボイドの発生、ぬれ不良ができにくく、高品質な接合部を得ることができる。
【００４７】
本発明の他の効果を説明する。表面清浄化ユニット１３の一例であるプラズマ処理によって、半導体チップ１５を搭載、接合する前に溶融したはんだ１２の表面の酸化膜を効果的に除去、低減可能であることから、炉内の雰囲気に関しては、残留酸素濃度、水素濃度ともに濃度管理を炉内全域に亘って高水準に保つ必要がなくなる。一般的に、残留酸素濃度は約200ppm以下になるようにガス流量、装置構造が考えられ、水素濃度は、爆発限界以下の4%程度以下が用いられる。しかし、水素を炉内全体に4%程度に保つには装置運転時のガス使用量が多く、コスト低減の妨げになっていた。しかし、本発明では、炉内の残留酸素濃度が高くて多少はんだ表面が酸化されても、半導体チップ１５を搭載、接合する直前の工程に設置した表面清浄化ユニット１３によって還元可能であるため、問題にならない。
【００４８】
プラズマ処理に当たっては水素が必要であるため、表面清浄化ユニット１３のノズル２１のガス導入口２５から水素と窒素の混合ガスを導入し、プラズマ処理部分に水素を集中させるが、他の部分では水素の濃度を抑えることできる。このため、炉内全体で見れば、水素の使用量を低減できる。また、この結果、ダイボンダ炉内で、水素ガスの濃度分布を有することとなる。図６にダイボンダ装置を上方から見たときの、水素濃度の分布を示す。水素濃度は等高線６１で示した。水素濃度は、aからeになるにしたがって、低くなっていることをあらわすようにした。即ち、開口窓６ｃ周辺では水素濃度が最も高く4%程度と設定したが、コンベアの入り口１８、出口１９付近では水素濃度は低くなっていて、全体の水素使用量を低減することができた。また、水素濃度が平均として低いため、安全上も有利となる。
【００４９】
ここで、表面清浄化ユニット１３は、１つのダイボンダ設備につき、１つ設置したが、複数個配置してもよい。例えば、図７に示したように、第１の工程と第２の工程の間に表面処理ユニット１３の処理ノズル７２を設置し、リードフレーム、或いは基板３に供給したはんだ１０表面を一旦処理し、半導体チップ１５を搭載、接合する工程の前に再度、溶融しているはんだ１４表面の清浄化処理を行う。処理を２ステップにすることにより、炉内のコンベアを通過に要する時間を有効に活用でき、且つ、確実に清浄化が可能となり、品質向上が可能である。このとき、図示していないが、処理ノズル７２、７３の近傍には図２、図１３に示す様な排気口を設置することにより、炉内の汚染を防ぎ、長期的な安定品質の確保に有効である。
【００５０】
また他の方式としては、図８に示したように、第１の線はんだを供給する工程で、表面清浄化ノズル７４を設置することにより、基板の表面清浄化処理、及び、供給したはんだ表面の処理が同時に可能であり、品質向上に有効である。図８中には、示していないが、処理ノズル７３、７４の近傍には図２、図１３に示す様な排気口を設置することにより、炉内の汚染を防ぎ、長期的な安定品質の確保に有効である。
【００５１】
他の方式としては、図９に示したように、半導体チップ１５をリードフレーム、または基板３に供給したはんだ１２に搭載、接合する第３の工程に、表面清浄化ユニット１３の処理ノズル７４を設置することも可能である。これにより装置面積を小さくすることが可能である。装置が小型化できれば、炉内で使用する雰囲気ガスの使用量等を少なくでき、低コスト化を図ることが可能である。
【００５２】
以上から、表面清浄化ユニット１３を有するダイボンダ装置を用いることにより、長期的に炉内の汚染もなく、水素使用量も少なく低コストで、はんだ接合部の欠陥としてボイドを低減することが可能である。
【実施例２】
【００５３】
他のはんだ表面清浄化ユニット１３の一例を図１０に示すが、リードフレーム、又は基板３上の溶融したはんだ１２の表面に、大気圧中で、トーチ型のノズル３１を用いてプラズマ処理を行うものである。トーチ型のノズル３１は、対電極３２の中央に中心電極３３が配置され、それぞれの電極表面には絶縁物３４が設けられている。中心電極３３には高周波電源３５が接続されている。また処理用のガスはガス導入口３６から供給され、放電空間３７にてプラズマを発生させ、ガス出口３８よりノズル状のプラズマ３９を照射させるものである。処理用のガスは本プラズマ装置の雰囲気として用いている窒素と水素の混合ガスを用いた。これにより水素プラズマが発生し、リードフレーム、又は基板３上の溶融したはんだ１２の表面に存在する酸化膜を還元することが可能である。
【００５４】
このとき、反応生成物が発生するがこれらを放置すると、リードフレーム、又は基板３の周囲が汚染され、且つ、連続的に処理すると炉内も汚染されるため、排気口４０をノズル３１の近傍に配置した。これにより連続的に処理しても、品質低下を起こすことはない。且つ、ガス導入口３６から水素を含むガスを導入することにより、溶融したはんだ表面の酸化膜除去の効果を高めるだけでなく、水素使用量を低減させ、コスト低減を図ることができる。
【００５５】
ここで、上記の実施例では、表面清浄化ユニットとして、図２に誘電体バリア方式、図１０にトーチ型リモート方式を示したが、これに限るものではない。また、片方の電極を基板の下におき、ダイレクト方式のプラズマを発生させて処理しても良い。この方式では、処理面積が大きいため、複数箇所の同時処理が可能な利点がある。
【実施例３】
【００５６】
他のはんだ表面清浄化ユニットの一例を図１１に示す。本方式は、レーザービームを照射するものであり、レーザー発振機１０１から発生されたレーザービーム１０２が光ファイバー１０３、光学レンズ系１０４等を介して、リードフレーム、又は基板３上の溶融したはんだ１４の表面に照射されるものである。炉内は酸素濃度の低い雰囲気であり、還元性のある水素も存在するため、効果的にはんだの表面酸化膜を除去することが可能である。ここで、レーザとしてはYAGレーザー光、或いはエキシマレーザー光のパルスレーザーが適しているが、これに限定されるものではない。また、ノズル状ではなく、ライン状に配置することも可能である。
【００５７】
また、処理すべきはんだの面積が広い場合は、レーザービームを中央部の出力が高い山型（凸型）ではなく、全体がほぼ同じ出力となるようにドーナツ状にレーザービームを照射して、広範囲の面積に対応することも可能である。このようなドーナツ状のレーザービーム形状は、中央部のレーザー出力が高すぎて温度による損傷が懸念される場合にも有効である。
【００５８】
以上のように、レーザービームにより、半導体チップ１５を搭載、接合する直前に、リードフレーム、または基板３に供給したはんだ１２表面の酸化膜を低減、除去が可能となり、接合部の品質を向上させることができる。
【００５９】
ここで、レーザー照射を用いた表面洗浄により、残渣が発生することが考えられ、ノズル１０４の近傍に排気口を設置する方が、接合部以外の部分の汚染の防止、長期的な炉内の汚染の防止のため、効果がある。
【００６０】
また、表面洗浄化ユニット周囲の水素濃度が高い方が酸化膜除去の効率が高いため、レーザービームを照射する表面洗浄化ユニットの照射部１０４に近接して、水素と不活性ガスとの混合ガスを供給して、水素濃度の分布を設けることにより、水素ガスの使用量を低減でき、低コスト化を図ることが可能である。
【実施例４】
【００６１】
図１４に、図１で示したダイボンダの主要部分の第３の工程（表面清浄化ユニット１３）を、他の工程と内壁５１．５２により外気を遮断したカバー（炉）２内の雰囲気が仕切られている実施例を示す。本願発明では、表面清浄化ユニット１３に近接した位置より、水素と不活性ガスとの混合ガスを供給して、最も水素ガスの濃度が高いことが必要な第３の工程付近の水素濃度をピークとして、コンベアの入り口１８と、出口１９へ向かってそれぞれ水素濃度が減少していく濃度分布となるようにカバー２内の雰囲気を構成することが特徴である。
【００６２】
図１４に示す内壁５１．５２、およびガイドレール４上に載せられて工程間を移動するリードフレーム、又は基板３が通過する時だけ開閉する扉５３，５４を設置することによって、水素使用量をさらに少なくして、表面清浄化ユニット１３付近のみ水素濃度を高く維持することが可能となる。また、前記開閉扉５３，５４は、リードフレーム、又は基板３の厚さが非常に薄いことから、扉ではなくて、通過できるだけの穴を設け、通気抵抗を高くするのみでもよい。
【００６３】
以上の実施例から、表面清浄化ユニットを有するダイボンダ装置を用いることにより、長期的に炉内の汚染もなく、水素使用量も少なく低コストで、はんだ接合部の欠陥となるボイドを低減することが可能となる。
【符号の説明】
【００６４】
１…本発明のダイボンダの主要部分、  ２…カバー（炉）、  ３…リードフレーム、又は基板、  ４…ガイドレール、  ５…リードフレーム、又は基板の移動方向、  ６a，６ｂ，６ｃ，６ｃ−１，６ｃ−２，６ｄ…開口窓、  ７…線はんだ、  ８…ヒーター、
９…はんだ供給ノズル、  １０…供給されたはんだ、  １１…はんだ成形棒、
１２…ぬれ広がったはんだ、  １３…表面清浄化ユニット、  １４…表面清浄化処理を行ったはんだ、  １５…半導体チップ、  １６…コレット、１７…はんだ接続部、
１８…炉内への入り口、  １９…炉内からの出口、  ２１…ノズル、
２２…電極、  ２３…誘電体、  ２４…電源、  ２５…ガス導入口、  ２６…プラズマ、２７…排気口、
３１…ノズル、  ３２…電極、  ３３…中心電極、  ３４…絶縁物、  ３５…電源、
３６…ガス導入口、  ３７…放電空間、  ３８…ガス出口、  ３９…プラズマ、
４０…排気口、  ４１…線はんだ由来の酸化膜、  ４２…ぬれ広がったはんだ上の酸化膜、  ４３…ボイド、  ４４…ぬれ不良、  ４５…破壊・分散された酸化膜、  ４６…いびつなフィレット形状、  ４７…線はんだの表面に残る酸化膜、
６１…水素濃度分布の等高線、
７１…プラズマ発生器、７２、７３、７４…処理ノズル、
１０１…レーザー発振機、１０２…レーザービーム、１０３…光ファイバー、１０４…光学系レンズ、
１２０…従来のダイボンダ装置の主要部分、１２１…はんだ接合部。
【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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【図１３】
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【図１４】
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