(57)【要約】【課題】生産性及び生産効率の向上を可能とする超音波接合装置及びこの超音波接合装置を使用した半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】超音波振動を発生させる超音波振動発生部２１と、超音波振動発生部２１から超音波振動が伝播される棒形状の超音波ホーン２２と、超音波ホーン２２に取り付けられ、接合対象物３に当接される印加面を有する印加ブロック２３と、を備え、印加面には、接合対象物３を掴む複数の凸部２６が設けられており、凸部２６の印加面から先端までの高さを示す値は、接合対象物３の厚みを示す値よりも小さい。【選択図】図２
2009224601.tif 000002
【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棒形状の超音波ホーンと、
前記超音波ホーンに取り付けられ、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、
前記印加面には、前記接合対象物を掴む複数の凸部が設けられており、前記凸部の前記印加面から先端までの高さを示す値は、前記接続導体の厚みを示す値よりも小さいことを特徴とする超音波接合装置。
【請求項２】
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棒形状の超音波ホーンと、前記超音波ホーンに取り付けられ、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、前記印加面には、前記接合対象物を掴む複数の凸部が設けられており、前記凸部の前記印加面から先端までの高さを示す値は、前記接続導体の厚みを示す値よりも小さいことを特徴とする超音波接合装置を用いた半導体装置の製造方法において、
超音波ホーンに取り付けられ超音波振動を印加する印加部の印加面に設けられた複数の凸部に接合対象物を真空吸着させる工程と、
前記接合対象物を被接合対象物に当接させ荷重を印加する工程と、
前記接合対象物と前記被接合対象物との間に隙間を生じさせることなく前記接合対象物に超音波振動を印加して両者を接合する工程と、
を備え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、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使用した半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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を被接合対象物へ接合する超音波接合装置が知られている（特許文献１参照）。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、印加部から接合対象物へ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へ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４は、超音波接合装置１００の全体構成を簡易に示す側面図である。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１０１と、発生した超音波振動が伝播される超音波ホーン１０２とを有する。超音波ホーン１０２の端部には印加部１０３が形成されている。超音波ホーン１０２は、超音波振動発生部１０１側に対して着脱可能に連結されている。印加部１０３は、超音波振動を印加する接続導体１１０に当接される部分であり、超音波ホーン１０２に一体に形成され、超音波ホーン１０２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。
【０００４】
印加部１０３の先端には、接続導体１１０に食い込み可能な形状に形成された複数の凸部１０４が設けられている。また、超音波ホーン１０２には、一端が印加部１０３の端面に開口する吸引通路が形成され（図示せず）、吸引通路の他端側は真空ポンプ（図示せず）に接続されている。なお、図４では、接続導体１１０が吸引されて印加部１０３の凸部１０４によって掴まれている状態を示している。印加部１０３（接続導体１１０）に対向する位置にはステージブロック１０５上に半導体チップ１１１及びリードフレーム１１２とが載置される。
【０００５】
図５は、接合工程における半導体チップ１１１、リードフレーム１１２、接続導体１１０と印加部１０３との位置関係を示す正面図である。リードフレーム１１２は複数のリード端子１１２ａ，１１２ｂを有し、リード端子１０２ｂに設けられた半導体チップ１１１がボンディングされている。半導体チップ１１１上には上面電極１１３が設けられている。その上から接続導体１１０が半導体チップ１１１（上面電極１１３）とリード端子１１２ａとに超音波接合されている。接続導体１１０は、半導体チップ１１１とリード端子１１２ａ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。
【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１０３の先端に接続導体１１０を吸着し、接続導体１１０を吸着した超音波接合装置１００を下降させ、接続導体１１０を半導体チップ１１１とリード端子１１２ａとに押付ける。ついで、超音波振動発生部１０１を駆動させ、超音波振動発生部１０１で発生した超音波振動を超音波ホーン１０２を伝播させ、印加部１０３から接続導体１１０に超音波振動を印加する。
【０００７】
これにより、凸部１０４が接続導体１１０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１０３と接続導体１１０との間の滑りが防止され、接続導体１１０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１１１及びリード端子１１２ａに対する接続導体１１０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２０００−６８３２７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、上述したような接合方法では図６に示すような弊害が生ずるおそれがある。すなわち、図６は、接合対象物である接続導体１１０と被接合対象物であるリード端子１１２ａとの接続状態を部分的に拡大して示す模式図である。図６に現われているように、接続導体１１０とリード端子１１２ａとの間において凸部１０４の直下では接合されているが、凸部１０４と凸部１０４との間では確実な接合が行われず接合されない領域（空隙Ｓ）が発生してしまう可能性があった。
【０００９】
接合対象物と被接合対象物とが接合されるメカニズムは、凸部１０４で接続導体１１０を押しつぶし接続導体１１０が塑性変形することで接続導体１１０の清浄な金属面が露出することになってこの面とリード端子１１２ａとが接続されるというものである。但し、接続導体１１０を凸部１０４で加圧すると隣接する凸部１０４との間にも接続導体１１０の清浄な金属面が露出することになり、この部分がリード端子１１２ａから離間し空隙Ｓを生じさせることになる。
【００１０】
特に、図６の模式図に示すように凸部１０４が大きく、凸部１０４が接合されている印加部１０３の印加面から先端までの高さｈが高いほど、接続導体１１０を押しつぶして接合させることになるため、空隙Ｓが発生する可能性が高くなると思われる。
【００１１】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、生産性及び生産効率の向上を可能とする超音波接合装置及びこの超音波接合装置を使用し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】
【００１２】
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、超音波振動発生部から超音波振動が伝播される棒形状の超音波ホーンと、超音波ホーンに取り付けられ、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、印加面には、接合対象物を掴む複数の凸部が設けられており、凸部の前記印加面から先端までの高さを示す値は、接合対象物の厚みを示す値よりも小さい。
【００１３】
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、超音波振動発生部から超音波振動が伝播される棒形状の超音波ホーンと、超音波ホーンに取り付けられ、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、この印加面には、接合対象物を掴む複数の凸部が設けられており、凸部の印加面から先端までの高さを示す値は、接続導体の厚みを示す値よりも小さいことを特徴とする超音波接合装置を用いた半導体装置の製造方法において、超音波ホーンに取り付けられ超音波振動を印加する印加部の印加面に設けられた複数の凸部に接合対象物を真空吸着させる工程と、接合対象物を被接合対象物に当接させ荷重を印加する工程と、接合対象物と被接合対象物との間に隙間を生じさせることなく接合対象物に超音波振動を印加して両者を接合する工程とを備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、生産性及び生産効率の向上を可能とする超音波接合装置及びこの超音波接合装置を使用した半導体装置の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１及び図２に示すように、本発明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Ａは、半導体チップ１とリードフレーム２のリード端子２ａとに接合対象物である接続導体３を超音波接合し、半導体チップ１とリード端子２ａ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使用される。この製造装置Ａは、ベース１１と、ベース１１の一端側に取付けられた水平方向移動テーブル１２と、ベース１１の他端側に取付けられたステージブロック１３とを有している。
【００１７】
半導体チップ１とリードフレーム２とは、ステージブロック１３上に載置されている。半導体チップ１の上には上面電極１ａが設けられている。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２ｂ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２ａ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。ここで、接合対象物は接続導体３であり、この接続導体３が接続される被接合対象物は、例えば、半導体チップ１でありリード端子２ａである。
【００１８】
水平方向移動テーブル１２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１２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１４が固定されている。ガイド１４には、水平方向移動テーブル１２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１５が取付けられている。上下方向移動テーブル１５には保持部１６が取付けられ、保持部１６には超音波接合装置２０が着脱可能に保持されている。
【００１９】
超音波接合装置２０は、超音波振動を発生させる超音波振動発生部２１と、超音波振動発生部２１で発生した超音波振動が伝播される超音波ホーン２２と、超音波ホーン２２に着脱可能に取付けられる印加ブロック２３と、印加ブロック２３を超音波ホーン２２に固定する止めネジ２４とを有している。
【００２０】
超音波ホーン２２は、超音波振動発生部２１側に対して着脱可能に連結されている。印加ブロック２３の一端には超音波振動を印加する接続導体３に当接される部分である印加部２５が設けられている。
【００２１】
なお、超音波振動発生部２１に対して連結される超音波ホーン２２、或いは、超音波ホーン２３に固定される印加ブロック２３は、それぞれその着脱の可否は任意に設定することが可能である。
【００２２】
印加部２５の先端には、接続導体３を掴むことができる形状に形成された複数の凸部２６が設けられている。また、超音波ホーン２２には、一端が印加部２５の端面に開口する吸引通路２７が形成され、吸引通路の他端側は真空ポンプ（図示せず）に接続されている。なお、図１では、接続導体３が吸引されて印加部２５の凸部２６によって掴まれている状態を示している。
【００２３】
このような構成において、半導体チップ１とリード端子２ａ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、ステージブロック１３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１２と上下方向移動テーブル１５とを駆動させることにより超音波接合装置２０を水平方向及び上下方向に移動させ、印加ブロック２３の印加部２５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、吸引通路２７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２５に真空吸着される。
【００２４】
印加部２５に接続導体３を真空吸着した後、水平方向移動テーブル１２と上下方向移動テーブル１５とを駆動させ、真空吸着した接続導体３をステージブロック１１の上方に搬送する。そして、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（図２に示す破線の矢印方向）に荷重を印加する。この荷重の印加により、凸部２６が接続導体３を掴む。
【００２５】
本発明の実施の形態における凸部２６は、接続導体３に食い込んで押しつぶすことで半導体チップ１、リードフレーム２と接続させるために設けられているのではなく、次に説明するように接続導体３に超音波振動を効率良く印加し、超音波を印加した際に印加部２５が接続導体３から外れないようにするために設けられている。
【００２６】
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２１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２２から印加ブロック２３へと伝播され、印加ブロック２３の印加部２５から図２に示す実線の矢印方向に接続導体３へと印加される。半導体チップ１とリード端子２ａ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２ａとに対して接続導体３が超音波接合される。
【００２７】
印加部２５から接続導体３に超音波振動を印加する場合に、凸部２６が接続導体３を掴んでいることにより、印加部２５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。
【００２８】
加圧されつつ超音波振動が接続導体３に効率よく印加されると、被接合対象物である半導体チップ１及びリード端子２ａとの間で接続導体３が擦れる。このことによって接続導体３の清浄な金属面が露出することになってこの露出された面とリード端子２ａとが接続される。
【００２９】
上述のように加圧することで接合対象物の清浄な面を露出させるようにすると空隙Ｓが発生する可能性があるが、本発明の実施の形態における接合方法を採用すれば、空隙を生じさせることなく接続導体３の半導体チップ１及びリード端子２ａとの間における接合面の全面にわたって万遍なく清浄な面を露出させることができる。そのため、図３の接続導体３とリード端子２ａとの接続状態を部分的に拡大して示す模式図に現われているように、接続導体３とリード端子２ａとの間には空隙は生じない。
【００３０】
なお、本発明の実施における凸部２６の形状は、多角錐台形状、円錐台形状、半球状、或いはこれらを組み合わせた形状等、どのような形状を採用しても良い。また、寸法についても、接続導体３への加圧を主体にして接合するわけではないことから、接続導体３の厚みを示す値よりもその高さを示す値（図３に示す高さＨ）が小さく、超音波振動を接続導体３に印加する際に凸部２６が接続導体３から外れてしまわない大きさであれば足りる。例えば、発明者が実験において用いた凸部を例に挙げてその大きさを説明すると、その凸部の形状は四角錐台形状である。そして対向する２辺の中心を通るように切断し、その断面を見た場合、平行する上辺と下辺の長さはそれぞれ５０ミクロン、８０ミクロンであって、上辺と下辺との間の高さ（図３に示す高さＨ）は３０ミクロンであった。
【００３１】
このように、接合対象物を掴む凸部の大きさを超音波振動を印加するにあたって外れないような大きさとすることで、加圧によってではなく印加された超音波振動によって接合対象物と被接合対象物とが擦られることになり接合対象物の清浄な面が露出されることになるため、生産性及び生産効率の向上を可能とすることのできる超音波接合装置及びこの超音波接合装置を使用した半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００３２】
なお、この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態におけ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】本発明の実施の形態の接合工程における半導体チップ、リードフレーム、接続導体と印加部との位置関係を示す正面図である。
【図３】本発明の実施の形態における接続導体とリード端子との接続状態を部分的に拡大して示す模式図である。
【図４】従来の超音波接合装置の概略構造を示す側面図である。
【図５】従来の接合工程における半導体チップ、リードフレーム、接続導体と印加部との位置関係を示す正面図である。
【図６】従来の接続導体とリード端子との接続状態を部分的に拡大して示す模式図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…半導体チップ、２…リードフレーム、３…接続導体、１１…ベース、１２…水平方向移動テーブル、１３…ステージブロック、１４…ガイド、１５…上下方向移動テーブル、１６…保持部、２０…超音波接合装置、２１…超音波振動発生部、２２…超音波ホーン、２３…印加ブロック、２４…止めネジ、２５…印加部、２６…凸部、Ａ…半導体装置の製造装置。
【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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