CN105470154B - 半导体装置的制造装置及半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供半导体装置的制造装置及半导体装置，在对半导体装置的构成构件进行超声波接合时，能够可靠地将构件固定起来，因而能够获得稳定的接合状态。一种半导体装置的制造装置(1)，该半导体装置包括板状构件(21)和接合构件(23)，该半导体装置的制造装置包括：板状治具(11)，其用于载置该板状构件(21)；第1固定治具(12)和第2固定治具(13)，它们具有能抵接在板状构件(21)的宽度方向端部上缘的斜面，并且构成为靠近该板状构件(21)的宽度方向端部地固定于该板状治具(11)；超声变幅器(14)，其能一边将接合构件(23)向板状构件(21)按压，一边在板状构件(21)的宽度方向上施加超声波振动。

Description

半导体装置的制造装置及半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体装置的制造装置及半导体装置。
背景技术
半导体装置的一例包括：基座板、接合在基座板上的绝缘基板、接合在绝缘基板上的半导体元件、及接合在绝缘基板上的外部端子。绝缘基板是通过在绝缘板的一个面上层叠金属板并在绝缘板的另一个面上层叠电路板而制成的。半导体元件和外部端子接合在绝缘基板的电路板上。
用于将外部端子与绝缘基板的电路板之间电接合且机械性地接合起来的接合方法多采用软钎焊。近年来，正在推进对利用超声波接合的接合方法的研究开发，来代替软钎焊。超声波接合是指：通过施加超声波振动并将外部端子按向绝缘基板的电路板，从而无需借助软钎料等接合材料而直接将外部端子与电路板接合起来。超声波接合具有以下这样的优点：能够在常温下进行接合，而且，外部端子与绝缘基板之间的接合可靠性高。
对于以往的超声波接合装置及接合方法而言，有一种这样的超声波安装方法：对半导体芯片施加超声波振动并将半导体芯片以倒装芯片的方式连接在设有电极端子的电路基板上(专利文献1)。专利文献1的方法采用了利用基板按压治具进行按压的手法。但是，这并不是用于将构成功率半导体模块的构件接合起来的技术，而且，单纯通过按压基板并不能够将基板完全固定，可能导致接合状态不稳定。
而且，有一种这样的超声波接合方法及装置：利用施加构件和弹性构件将接合构件的两个侧面夹持起来再施加超声波振动(专利文献2)。但是，利用弹性构件夹持构件无法将构件完全固定，可能导致接合状态不稳定。
而且，在欲通过超声波接合将连接带与半导体芯片的电极或端子之间连接起来时，有一种能吸附连接带的超声波接合治具(专利文献3)。但是，单纯通过吸附构件并不能够将构件完全固定，可能导致接合状态不稳定。
而且，在使用粘结剂安装零件的过程中需要对零件进行定位时，有一种这样的定位方法：将零件吸附在呈大致四坡屋顶形状的凹部中，并使零件在水平方向上微振动(专利文献4)。但是，在对构成功率半导体模块的构件进行超声波接合时，难以直接应用该定位方法。
而且，在对多块板状构件进行定位时，有一种用于使弹簧销贯穿多个贯通孔的治具(专利文献5)。但是，当应用于超声波接合时，因贯穿贯通孔会产生间隙，该间隙会导致在接合时产生晃动，因此，无法将构件完全固定，可能导致接合状态不稳定。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006－128486号公报
专利文献2：日本特开2007－123937号公报
专利文献3：国际公开第2005/117095号
专利文献4：日本特开平10－296985号公报
专利文献5：日本特开2013－158858号公报
发明内容
发明要解决的问题
因此，本发明即是为了有效解决上述问题而做成的，其目的在于，提供一种半导体装置的制造装置，采用该半导体装置的制造装置，在对以功率半导体模块为例的半导体装置的构成构件进行超声波接合时，能够可靠地将构件固定起来，因而能够获得稳定的接合状态。
用于解决问题的方案
本发明的一技术方案是一种半导体装置的制造装置，该半导体装置包括板状构件和接合构件，其中，该半导体装置的制造装置包括：板状治具，其用于载置该板状构件；第1固定治具和第2固定治具，它们具有能抵接在该板状构件的宽度方向端部上缘的斜面，并且构成为靠近该板状构件的宽度方向端部地固定于该板状治具；及超声变幅器，其能一边将接合构件向该板状构件按压，一边在板状构件的宽度方向上施加超声波振动。
本发明的另一技术方案是一种半导体装置，该半导体装置包括：基座板；绝缘基板，其接合在该基座板上；半导体元件，其搭载于该绝缘基板；及外部端子，其借助超声波接合被接合在该绝缘基板上。在该基座板的宽度方向端部的上缘形成有压痕，该压痕是在上述半导体装置的制造装置的第1固定治具和第2固定治具中的至少一者的作用下形成的。
发明的效果
采用本发明的半导体装置的制造装置，在对半导体装置的构成构件进行超声波接合时，能够可靠地将构件固定起来，因而能够获得稳定的接合状态，进而能够实现可靠性高的接合。
附图说明
图1是本发明的半导体装置的制造装置的一实施方式的示意性的剖视图。
图2是第2固定治具附近的局部放大图。
图3是表示第2固定治具的斜面的锥角θA与超声波接合后的外部端子的拉伸强度之间的关系的曲线图。
图4是第2固定治具附近的局部放大图。
图5是表示第2固定治具的斜面的锥角θB与超声波接合后的外部端子的拉伸强度之间的关系的曲线图。
图6是第2固定治具附近的局部放大图。
图7是第2固定治具的变形例的剖视图。
图8是第2固定治具的变形例的剖视图。
图9是半导体装置的制造装置的一实施方式的俯视图。
图10是经过超声波接合工序之后得到的半导体装置的俯视图。
图11是另一实施方式的半导体装置的制造装置的剖视图。
图12是比较例的半导体装置的制造装置的剖视图。
图13是比较例的半导体装置的制造装置的剖视图。
具体实施方式
下面，参照附图具体地对本发明的半导体装置的制造装置及使用该制造装置制成的半导体装置的实施方式进行说明。此外，在下面的说明中，上、下是指附图中所示的上、下位置关系。
实施方式1
图1是本发明的半导体装置的制造装置的一实施方式的示意性的剖视图。图1所示的半导体装置的制造装置1包括：板状治具11、第1固定治具12、第2固定治具13及超声变幅器14。该制造装置1是用于在制造半导体装置的过程中固定半导体装置的板状构件、并对接合构件进行超声波接合的装置。
就更具体的例子而言，半导体装置为功率半导体模块，板状构件为基座板21，接合构件为外部端子23。功率半导体模块包括：基座板21；绝缘基板22，其借助软钎料等接合材料固定在基座板21的表面；及外部端子23，其接合在绝缘基板22上。绝缘基板22包括：绝缘板22a、电路板22b及金属板22c。作为一实施方式，本实施方式的半导体装置的制造装置1为通过超声波接合将电路板22b与外部端子23之间直接接合起来的装置。
利用本实施方式的制造装置1经过超声波接合工序后最终获得的功率半导体模块除了包括图1所示的基座板21、绝缘基板22及外部端子23之外，还包括：半导体芯片，其作为半导体元件，借助软钎料等接合材料接合在电路板22b上；布线构件，其用于将半导体芯片的电极与电路板22b电连接起来；以及壳体等，该壳体用于收纳绝缘基板22、半导体芯片及布线构件等。在图1及下面的说明所使用的附图中，为了便于对本发明的结构的理解而省略了对半导体芯片、布线构件等的图示。
本实施方式的制造装置1的板状治具11具有平坦的表面11a，在该表面11a上载置基座板21。第1固定治具12和第2固定治具13靠近基座板21的宽度方向端部地固定于板状治具11。利用该第1固定治具12和第2固定治具13以夹持基座板21的方式固定基座板21。
第1固定治具12的截面形状呈大致梯形，其在与基座板21相对的一侧具有斜面12a，斜面12a能抵接在基座板21的宽度方向端部的上缘。第1固定治具12例如被未图示的螺栓或螺钉等固定在板状治具11的表面11a。
图2是表示第2固定治具13附近的局部放大图。第2固定治具13在与基座板21相对的一侧具有斜面13a，斜面13a能抵接在基座板21的宽度方向端部的上缘。而且，第2固定治具13形成为如下这样的多边形的截面形状，即，具有：垂直面13b，其与斜面13a的下端相连并延伸至第2固定治具13的下端；下表面13c，其形成在第2固定治具13的下端；斜面13d，其自下表面13c的端部向与基座板21的相反侧延伸；垂直面13e，其与该斜面13d相连；及上表面13f。
第2固定治具13构成为：该第2固定治具13的下部插入到形成在板状治具11上的凹部11b中，第2固定治具13例如被未图示的螺栓或螺钉等以能拆装的方式固定起来。
与第2固定治具13的下部形状相对应地形成在板状治具11上的凹部11b具有：与第2固定治具13的垂直面13b相对应的垂直面11bb、与第2固定治具13的下表面13c相对应的底面11bc及与第2固定治具13的斜面13d相对应的斜面11bd。由此，第2固定治具13的下部具有以能够拆装的方式嵌合在板状治具11的凹部11b中的形状。
自未图示的超声波振荡器向超声变幅器14传递超声波振动，超声变幅器14的顶端抵接于外部端子23，一边朝向电路板22b按压一边对外部端子23施加与基座板21的宽度方向相同的方向上的超声波振动。图1中用箭头示出了超声波振动的方向。由此，通过超声波接合将外部端子23接合在电路板22b上。
对利用半导体装置的制造装置1通过超声波接合将电路板22b与外部端子23接合起来的接合方法进行说明。首先，准备接合有绝缘基板22的基座板21。并且，准备固定有第1固定治具12的板状治具11。
将基座板21载置于板状治具11的表面11a。此时，使基座板21的宽度方向端部中的一端的上缘抵接于第1固定治具12的斜面12a。
接着，将第2固定治具13的下部以嵌合在板状治具11的凹部11b中的方式插入到凹部11b中，并用螺栓或螺钉进行固定。此时，使基座板21的宽度方向端部中的另一端的上缘抵接于第2固定治具13的斜面13a，能够通过自斜面13a向基座板21的方向施加按压力来可靠地将基座板21固定起来。
在将基座板21固定之后，一边利用超声变幅器14将外部端子23按向电路板22b的规定位置，一边在与基座板21的宽度方向相同的方向上施加超声波振动，从而通过超声波接合将电路板22b与外部端子23接合起来。
本实施方式的半导体装置的制造装置1能够利用以夹持基座板21的方式设置的第1固定治具12和第2固定治具13从斜上方按压基座板21的宽度方向端部，从而可靠地将基座板21固定起来。第1固定治具12的斜面12a和第2固定治具13的斜面13a均形成为相对于板状治具11以一定角度倾斜，自斜面12a和斜面13a作用于基座板21的按压力在将基座板21按在板状治具11上的方向上作用。因而，当将超声波振动自在基座板的宽度方向上进行超声波振动的超声变幅器14施加于外部端子23来进行接合时，能够抑制基座板21在与超声波的振动方向相同的方向上振动，因而能够稳定地实现可靠性高的接合。
而且，如图1所示，基座板21大多呈以朝向板状治具11凸出的方式局部翘曲或整体翘曲的形状。即使在像上述这样基座板21呈翘曲形状的情况下，由于利用第1固定治具12和第2固定治具13以自斜上方按压基座板21的方式来固定基座板21，因此，也能够利用按压力的垂直方向上的分力将基座板21按在板状治具11上，使基座板21与板状治具11之间以基座板21不会呈现出翘曲的程度相互紧密接合。因而，能够在超声波接合时抑制基座板21与板状治具11之间产生晃动，因此，能够稳定地实现可靠性高的接合。
图1所示的第2固定治具13不仅在与基座板21相对的一侧具有斜面13a，还具有自其下端向与基座板21的相反侧延伸的斜面13d。由于具有该斜面13d，从而在将第2固定治具13的下部插入到板状治具11的凹部11b中时，能够使得第2固定治具13的垂直面13b与板状治具11的凹部11b的垂直面11bb紧密接合，使第2固定治具13的斜面13d与凹部11b的斜面11bd紧密接合。因而，能够防止第2固定治具13在凹部11b内在基座板21的宽度方向上晃动，因而，能够可靠地将基座板21固定起来。
优选的是，第1固定治具12和第2固定治具13的能抵接于基座板21的斜面12a、13a，与垂直方向(即板状治具11的表面11a的垂线方向)所成的锥角θA在20°～70°的范围内。图2中示出了第2固定治具13中的锥角θA。由于锥角θA在20°～70°的范围内，从而在斜面12a、13a与基座板21的宽度方向端部的上缘相接触时，能够产生向基座板21的宽度方向和厚度方向这两个方向按压基座板21的力，因而能够可靠地将基座板21固定起来。
图3用曲线图表示对第2固定治具13的斜面13a的锥角θA与超声波接合后的外部端子23的拉伸强度之间的关系的调查结果。当锥角θA在20°～70°的范围内时，获得了良好的拉伸强度。当锥角θA小于20°时，向基座板21的厚度方向按压的力变小，基座板21的晃动程度增加，强度降低。当锥角θA大于70°时，向基座板21的宽度方向按压的力变小，基座板21因超声波振动产生的横向晃动的程度增加，因此强度降低。最优选的是，锥角θA为45°。此外，图2中利用了第2固定治具13示出了锥角θA，但对第1固定治具12来讲，优选的锥角θA也是同样的，优选在20°～70°的范围内。
优选的是，在第2固定治具13中，与板状治具11的凹部11b的斜面11bd相接触的部分、即斜面13d与垂直方向所成的锥角θB在3°～45°的范围内。图4示出了第2固定治具13中的锥角θB。由于锥角θB在3°～45°的范围内，从而能够抑制第2固定治具13在板状治具11的凹部11b内晃动，因而能够可靠地将基座板固定起来。
图5用曲线图表示对第2固定治具13的斜面13d的锥角θB与超声波接合后的外部端子23的拉伸强度之间的关系的调查结果。当锥角θB在3°～45°的范围内时，获得了良好的拉伸强度。当锥角θB小于3°时，仅是用螺栓或螺钉将第2固定治具13固定在凹部11b内，由此，容易产生晃动，因此强度降低。当锥角θB大于45°时，将基座板21向其宽度方向、即超声变幅器14的振动方向按压的力变小，基座板21的横向摆动程度增加，因此强度降低。
图6中示出了第2固定治具13中安装螺栓或螺钉的位置与斜面13a的接触到基座板21的宽度方向端部上缘的位置之间在水平方向上的距离L1。在此，水平方向是指与板状治具11的表面11a的平面内的方向平行的方向。根据图6可知，由于第2固定治具13具有与斜面13a的下端相连的垂直面13b，因此距离L1短。
为了与图6所示的第2固定治具13进行对比，图7中示出了第2固定治具的变形例的剖视图。图7所示的固定治具15在与基座板21相对的一侧具有斜面15a，该斜面15a能抵接在基座板21的宽度方向端部的上缘。而且，固定治具15形成为如下这样的多边形的截面形状，即，具有：下表面15c，其与斜面15a相连并形成在固定治具15的下端；斜面15d，其自下表面15c的端部向与基座板21的相反侧延伸；垂直面15e，其与该斜面15d相连；及上表面15f。固定治具15在不具有与第2固定治具13的垂直面13b同样的垂直面的方面与图6所示的第2固定治具13有所不同。图7所示的固定治具15具有与第2固定治具13所具有的斜面同样的斜面15a和斜面15d，因此，具有与第2固定治具13所具备的效果同样的效果。但是，固定治具15中安装螺栓或螺钉的位置与斜面15a的接触到基座板21的宽度方向端部上缘的位置之间在水平方向上的距离L2与图6所示的第2固定治具13的情况相比较长。由此，由螺栓或螺钉的轴向力产生的按压基座板21的力与第2固定治具13的情况相比较小。即，与图7所示的固定治具15相比，图6所示的第2固定治具13的按压基座板21的力较大，因此图6所示的第2固定治具13是更加优选的。
图8是表示第2固定治具13的变形例的剖视图。图8所示的固定治具16在与基座板21相对的一侧具有斜面16a，该斜面16a能抵接在基座板21的宽度方向端部的上缘。而且，固定治具16形成为如下这样的多边形的截面形状，即，具有：垂直面16b，其与斜面16a的下端相连并延伸至固定治具16的下端；下表面16c，其形成在固定治具16的下端；斜面16d，其自下表面16c的端部向与基座板21的相反侧延伸；垂直面16e，其与该斜面16d相连；及上表面16f。与图6所示的第2固定治具13相比，固定治具16的下表面16c的宽度更宽。由于下表面16c的宽度更宽，从而与第2固定治具13相比，固定治具16能够进一步抑制欲使其以被螺栓或螺钉固定的部分为中心转动的力，因此能够更可靠地将基座板21固定起来。
图9是表示本发明的半导体装置的制造装置的一实施方式的示意性的俯视图。在图9中，对与图1相同的构件标注了相同的附图标记，因此下面会省略重复说明。而且，为了便于对本发明的理解，将省略对外部端子23和超声变幅器14的图示。
在图9所示的实施方式中，沿着基座板21的长度方向以空开均等间隔的方式分别设有多个第1固定治具12及多个第2固定治具13。第2固定治具13先安装在固定板17上，该固定板17上形成有与图1中的板状治具11的凹部11b同样的凹部，然后第2固定治具13借助固定板17被螺栓或螺钉等固定在板状治具11上。第1固定治具12和第2固定治具13的个数、以及第1固定治具12和第2固定治具13在沿着基座板21的长度方向的方向上的长度(长度方向上的长度)为任意值。例如也能够做成为：第1固定治具12和第2固定治具13中的至少一者的长度方向上的长度与基座板21的长度方向上的长度大致相同。
在图1和图9所示的实施方式中，使用了截面形状不同的第1固定治具12和第2固定治具13。能够用第2固定治具13来代替图1中的第1固定治具12。换言之，也能够做成为：分别在基座板21的宽度方向两端设置第2固定治具13，来固定基座板21。
实施方式2
图10中仅用作为主要构件的基座板21和绝缘基板22来表示利用图1和图9所示的实施方式的制造装置经过超声波接合工序制成的半导体装置20。对于利用图1和图9所示的实施方式的制造装置经过超声波接合工序组装而成的半导体装置20而言，在基座板21的宽度方向两端的上缘形成有压痕21a，该压痕21a是在基座板21被第1固定治具12的斜面12a及第2固定治具13的斜面13a抵接按压而被固定起来时产生的。压痕21a表现为带有圆角的角部，虽然压痕只是很小的一部分区域，但仍能够明显地将它们与没有压痕的角部区分开来。
实施方式3
图11表示另一实施方式的半导体装置的制造装置。图11所示的制造装置2中的待进行超声波接合的半导体装置与上述的半导体装置不同。具体地讲，其不具有基座板。并且，制造装置2具有基板31，该基板31是通过在绝缘板31a的一个面上层叠包括厚铜板的电路板31b、并在另一面上层叠金属板31c而制成的。在欲通过超声波接合将呈销形状且顶端做成字母L形的外部端子33接合在该电路板31b上时，优选应用本实施方式的制造装置2，本实施方式的制造装置2包括：板状治具11、第1固定治具18、第2固定治具19及超声变幅器14。第1固定治具18和第2固定治具19为了固定该基板31而具有斜面18a、19a，但是削去了可能与绝缘板31a相接触的区域。除此以外，其他方面与利用图1说明的第1固定治具12和第2固定治具13相同。图11所示的本实施方式的半导体装置的制造装置具有斜面18a、斜面19a及斜面19d，因此具有与利用图1说明的半导体装置的制造装置同样的效果。而且，利用图11所示的实施方式的制造装置经过超声波接合工序制成的半导体装置，在电路板31b的宽度方向两端的上缘形成有与图10所示的情况同样的压痕。
比较例
图12、图13用剖视图表示比较例的半导体装置的制造装置。图12为这样的比较例：利用治具112从位于治具111上的基座板21的宽度方向端部的上方沿厚度方向按压基座板21的宽度方向端部，从而来对基座板21进行固定。图13为这样的比较例：利用具有排气孔113a的治具113通过吸附来固定位于治具113上的基座板21。与这些比较例相比，上述各实施方式能够获得如下这样的优异效果：能够更可靠地将基座板21固定起来。
以上，利用附图及实施方式具体地对本发明的半导体装置的制造装置及半导体装置进行了说明，但本发明并不限定于实施方式及附图的描述内容，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行多种方式的变形。
附图标记说明
1、2、半导体装置的制造装置；11、板状治具；12、18、第1固定治具；13、19、第2固定治具；14、超声变幅器；21、基座板(板状构件)；23、外部端子(接合构件)。

Claims (9)

1.一种半导体装置的制造装置，该半导体装置包括板状构件和接合构件，该半导体装置的制造装置的特征在于，包括：
板状治具，其用于载置该板状构件；
第1固定治具和第2固定治具，它们具有能抵接在该板状构件的宽度方向端部上缘的第1斜面，并且构成为靠近该板状构件的宽度方向端部地固定于该板状治具；及
超声变幅器，其能一边将接合构件向该板状构件按压，一边在板状构件的宽度方向上施加超声波振动。
2.根据权利要求1所述的半导体装置的制造装置，其中，
上述第1固定治具和第2固定治具中的至少一者还具有自下端向上述板状构件的相反侧延伸的第2斜面。
3.根据权利要求1所述的半导体装置的制造装置，其中，
上述第1固定治具的第1斜面和上述第2固定治具的第1斜面与垂直方向所成的角度均为20°～70°。
4.根据权利要求2所述的半导体装置的制造装置，其中，
上述第2斜面与垂直方向所成的角度为3°～45°。
5.根据权利要求1或2所述的半导体装置的制造装置，其中，
上述第1固定治具和第2固定治具中的至少一者还具有垂直面，该垂直面与能抵接在上述板状构件的宽度方向端部上缘的第1斜面的下端相连。
6.根据权利要求1所述的半导体装置的制造装置，其中，
上述板状构件为基座板，上述接合构件为外部端子，该半导体装置的制造装置用于通过超声波接合将该外部端子与接合在该基座板上的绝缘基板接合起来。
7.根据权利要求1所述的半导体装置的制造装置，其中，
上述板状构件为通过在绝缘板一个面上接合电路板并在另一个面上接合金属板而成的基板，上述接合构件为外部端子，该半导体装置的制造装置用于通过超声波接合将该基板的电路板与该外部端子接合起来。
8.一种半导体装置，其特征在于，
该半导体装置包括：基座板；绝缘基板，其接合在该基座板上；半导体元件，其搭载于该绝缘基板；及外部端子，其借助超声波接合被接合在该绝缘基板上，
在该基座板的宽度方向端部的上缘形成有压痕，该压痕是在权利要求6所述的半导体装置的制造装置的第1固定治具和第2固定治具中的至少一者的作用下形成的。
9.一种半导体装置，其特征在于，
该半导体装置包括：绝缘板；金属板，其形成在该绝缘板的一个表面上；电路板，其形成在该绝缘板的另一表面上；半导体元件，其搭载于该电路板；及外部端子，其借助超声波接合被接合在该电路板上，
在该电路板的宽度方向端部的上缘形成有压痕，该压痕是在权利要求7所述的半导体装置的制造装置的第1固定治具和第2固定治具中的至少一者的作用下形成的。
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