JP2012129467A - 半導体装置の製造方法、超音波接合装置、及び半導体装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法、超音波接合装置、及び半導体装置 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、ボンディングツールによって接合体を潰しすぎてしまうことを回避できる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本願の発明にかかる半導体装置の製造方法は、被接合体に接合体を接触させる工程と、ボンディングツールの先端に形成されたボンド面を該接合体に当てて該ボンド面の直下領域に該被接合体と該接合体との接合部分を形成するように該接合体に荷重及び超音波を印加する工程と、該ボンディングツールの該ボンド面よりも後退した位置に該ボンド面と平行な面となるように形成されたパワー分散面を、該パワー分散面の直下領域に接合部分が形成されないように該接合体に当てる工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ボンディングツールを用いて接合体を被接合体に超音波接合する半導体装置の製造方法、超音波接合装置、及び半導体装置に関する。
特許文献１には、ボンディングツールの先端部分で接合体（リボン）に対し荷重及び超音波を印加し、接合体とその下の被接合体を超音波接合する技術が開示されている。この技術によれば、接合体のうち荷重及び超音波を印加した部分は潰れて他の部分よりも薄くなる。
特表２００８−５２９３０３号公報 特開平７−２６３４７８号公報 特開２００６−２３１４０２号公報 特開２００４−３３６０４３号公報 特開２００７−３３０８５１号公報 特開平９−１０８８５３号公報
超音波接合後の接合体には所定の引っ張り強度を有することが要求される。そのために接合体の潰れた部分は所定の厚みを有していなければならない。ところが、超音波接合前の接合体の組成、厚み、表面状態、及び面積はばらつき（接合体ばらつきという）を有している。また、ボンディングツールによる荷重や超音波の強度、処理時間、処理温度などもばらつき（ボンディングツールの制御ばらつきという）を有している。これらのばらつきにより、ボンディングツールが接合体を潰しすぎてしまい、接合体の引っ張り強度を確保できないことがあった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ボンディングツールによって接合体を潰しすぎてしまうことを回避できる半導体装置の製造方法、超音波接合装置、及び半導体装置を提供することを目的とする。
本願の発明にかかる半導体装置の製造方法は、被接合体に接合体を接触させる工程と、ボンディングツールの先端に形成されたボンド面を該接合体に当てて該ボンド面の直下領域に該被接合体と該接合体との接合部分を形成するように該接合体に荷重及び超音波を印加する工程と、該ボンディングツールの該ボンド面よりも後退した位置に該ボンド面と平行な面となるように形成されたパワー分散面を、該パワー分散面の直下領域に接合部分が形成されないように該接合体に当てる工程と、を有することを特徴とする。
本願の発明にかかる超音波接合装置は、先端にボンド面が形成され、該ボンド面よりも後退した位置に該ボンド面と平行な面となるようにパワー分散面が形成されたボンディングツールと、ホーンを介して該ボンディングツールと接続された超音波発生器と、を有し、該ボンディングツールは該ボンド面の直下領域に接合体と被接合体の接合領域を形成し、該パワー分散面の直下領域に該接合体と該被接合体の接合領域を形成しないように制御されることを特徴とする。
本発明によれば、ボンディングツールによって接合体を潰しすぎてしまうことを回避できる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法で用いる超音波接合装置を示す図である。 ボンディングツールの先端部分の斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 組み立て物がパッケージに収容された状態を示す図である。 組み立て物の所定位置にリボンをのせた状態を示す図である。 ボンド面をリボンの一端に当てた状態を示す図である。 ボンド面の直下領域に接合部分が形成されることを示す図である。 パワー分散面がリボンにあたることを示す図である。 パワー分散面によりリボンを潰すことを示す図である。 ボンディングツールにより潰されたリボンの斜視図である。 第１比較例のボンディングツールを示す図である。 第１比較例のボンディングツールを用いてリボンを潰した後のリボンの斜視図である。 第１比較例のボンディングツールを用いた場合の超音波強度とボンド面直下領域のリボン厚さの関係を示す図である。 第１比較例のボンディングツールを用いた場合の超音波強度と引っ張り強度の関係を示す図である。 第２比較例のボンディングツールを示す図である。 第２比較例のボンディングツールを用いてリボンを潰した後のリボンの斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るボンディングツールを用いた場合の超音波強度とボンド面直下領域のリボン厚さの関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るボンディングツールを用いた場合の超音波強度と引っ張り強度の関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造方法で用いるボンディングツールを示す図である。 本発明の実施の形態２に係るボンディングツールの変形例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るボンディングツールの変形例を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の製造方法で用いるボンディングツールを示す図である。 本発明の実施の形態３に係るボンディングツールによって処理されたリボンを示す図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体装置の製造方法で用いるボンディングツールを示す図である。 本発明の実施の形態４に係るボンディングツールによって処理されたリボンを示す図である。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法で用いる超音波接合装置を示す図である。超音波接合装置はボンディングツール１０を有している。ボンディングツール１０の先端には平坦なボンド面１０ａが形成されている。ボンディングツール１０にはホーン１２が取り付けられている。ホーン１２は超音波発生器１４に取り付けられている。このように、超音波発生器１４で発生させた超音波振動はホーン１２を経由してボンディングツール１０へ伝搬されるようになっている。
図２はボンディングツール１０の先端部分の斜視図である。ボンド面１０ａよりもボンディングツール１０の先端から後退した位置にボンド面１０ａと平行なパワー分散面１０ｂが形成されている。ボンド面１０ａとパワー分散面１０ｂの高低差は０．１ｍｍである。ボンド面１０ａの幅は１ｍｍであり、パワー分散面１０ｂの幅も１ｍｍである。
図３は本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。以後、このフローチャートに沿って説明する。まず、半導体チップなどを含む組み立て物をパッケージに収容する（ステップ２０）。図４は組み立て物がパッケージに収容された状態を示す図である。組み立て物とは、基板４０と、基板４０の表面に形成された電極パターン４２ａ及び４２ｂと、電極パターン４２ｂに固定された半導体チップ４４と、基板４０の裏面に形成された電極パターン４６のことをいう。組み立て物は、例えば、パワー半導体チップを搭載した半導体装置である。
組み立て物の電極パターン４６は、はんだ４８によりパッケージ５０の内壁に固定されている。パッケージ５０にはパッケージ５０の内部と外部を電気的に接続するために用いられる外部電極５２が取り付けられている。
次いでステップ２２へと処理を進める。ステップ２２では組み立て物の所定位置にリボンを接触させる。図５は組み立て物の所定位置にリボンを接触させた状態を示す図である。リボン５４は一端が電極パターン４２ａにのせられ、他端が外部電極５２にのせられている。また、リボン５６は一端が電極パターン４２ａにのせられ、他端が半導体チップ４４にのせられている。リボン５４及び５６はアルミニウムをテープ状にしたものであって、幅は２ｍｍであり、厚さは０．２ｍｍである。
次いでステップ２４へと処理を進める。ステップ２４ではボンディングツール１０のボンド面１０ａをリボン５４の一端に当てて、ボンド面の直下領域にリボン５４と電極パターン４２ａとの接合部分を形成するようにリボン５４の一端に荷重と超音波を印加する。図６はボンド面１０ａをリボン５４の一端に当てた状態を示す図である。ボンド面１０ａをリボン５４の一端に当てると、リボン５４の一端はボンド面１０ａと電極パターン４２ａに挟まれた状態となる。
図７はボンド面１０ａの直下領域に接合部分６０が形成されることを示す図である。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法では、この荷重と超音波の印加によりボンド面１０ａの直下領域のリボン５４の厚みを０．１ｍｍとすることを目標とする。そして同厚みの許容上限及び許容下限はそれぞれ０．１１ｍｍと０．０９ｍｍである。
次いでステップ２６へと処理を進める。ステップ２６では、荷重及び超音波の印加を継続することでリボン５４の潰れを進行させ、パワー分散面１０ｂの直下領域に接合部分が形成されないようにパワー分散面１０ｂをリボン５４に当てる。図８はパワー分散面１０ｂがリボン５４に当たることを示す図である。パワー分散面１０ｂがリボン５４に当たると、ボンド面１０ａの直下領域におけるリボン５４の厚さは０．１ｍｍとなる。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法では、ボンド面１０ａの直下領域のリボン５４の厚みを０．１ｍｍとすることを目標としているので、荷重及び超音波の印加は理想的にはここで終了する。
ところで、接合体ばらつきやボンディングツールの制御ばらつきにより、パワー分散面１０ｂがリボン５４に当たり、リボン５４の「必要な潰し」が実施された後も、意図せず荷重と超音波の印加が継続されることがある。すなわち、前述の「必要な潰し」が実施された後に「意図しない潰し」が生じえる。この場合、ステップ２８へ進む。
ステップ２８では、ボンド面１０ａとパワー分散面１０ｂによりリボン５４の幅方向全体に渡って荷重及び超音波が印加される。すなわち、ステップ２８では、パワー分散面１０ｂを電極パターン４２ａに当てることが継続される。この場合、ボンド面１０ａとともにパワー分散面１０ｂもリボン５４を潰す。図９はパワー分散面１０ｂによりリボン５４を潰すことを示す図である。ここで、「意図しない潰し」では、ボンド面１０ａとパワー分散面１０ｂの両方がリボン５４を潰すため、リボン５４の潰しが進みづらく、その潰し量はわずかである。「意図しない潰し」によるリボン５４の潰れは、潰れのない状態のリボンの厚みに対して最大でも１５％程度である。また、ボンディングツール１０の荷重及び超音波がボンド面１０ａとパワー分散面１０ｂの両方に分散されることもあり、「意図しない潰し」ではパワー分散面１０ｂの直下領域にリボン５４と電極パターン４２ａの接合部分は形成されない。なお、パワー分散面１０ｂの面積は、「意図しない潰し」があってもボンド面１０ａ直下領域のリボンの厚さを許容下限より大きく保つことができるように定められる。
ステップ２６とステップ２８はパワー分散面１０ｂを電極パターン４２ａに当てる工程であるが、パワー分散面１０ｂの直下領域には接合部分は形成されない。
ステップ２８の「意図しない潰し」が終わると、ボンディングツール１０は退避させられ処理を終了する。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法では上述の処理を行う。
図１０は、ボンディングツール１０により潰されたリボン５４の斜視図である。ボンド面１０ａにより潰された部分５４ａは、パワー分散面１０ｂにより潰された部分５４ｂよりも薄い。パワー分散面１０ｂにより潰された部分５４ｂはボンディングツール１０が当てられていない部分５４ｃよりはわずかに薄い。
以下、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法の意義の説明に先立ち、理解を容易にするため、比較例について説明する。
図１１は第１比較例のボンディングツールを示す図である。ボンディングツール１００の先端にはボンド面１００ａが形成されている。図１２は第１比較例のボンディングツール１００を用いてリボンを潰した後のリボンの斜視図である。ボンド面１００ａにより潰された部分１０２ａはボンド面１００ａが当てられていない部分１０２ｂよりも薄い。ここで、接合体ばらつきやボンディングツールの制御ばらつきにより、必要な潰しの後に「意図しない潰し」が生じて、リボン１０２を潰しすぎてしまうことがある。その場合、リボン１０２が電極パターンと離れる部分であるネック部１０２ｃの強度が低下し、リボン１０２の引っ張り強度が確保できないことがある。なおここで「引っ張り強度」とは、リボンの立ち上がり側（ネック部）を引っ張る方向に静荷重を加えたときにネック部の破断、または接合面の剥がれ等が発生する限界荷重をいう。
ここで、「意図しない潰し」の要因の一例として、超音波強度がばらつくことについて説明する。図１３は、第１比較例のボンディングツール１００を用いた場合の超音波強度とボンド面の直下領域のリボン厚さの関係を示す図である。この図からわかるように超音波強度が高い方向へばらつくとリボン厚さが低下する。そして、第１比較例の場合は、「必要な潰し」であっても「意図しない潰し」であってもボンド面１００ａのみがリボン１０２に当たるため、超音波強度が上がればリボン厚さは単調減少する。
図１４は、第１比較例のボンディングツール１００を用いた場合の超音波強度と引っ張り強度の関係を示す図である。前述のように超音波強度が高い方向へばらつくと、はがれ強度は増すものの、ネック強度が許容下限を下回る。
図１５は、第２比較例のボンディングツールを示す図である。ボンディングツール２００の先端にはボンド面２００ａが形成されている。図１６は第２比較例のボンディングツール２００を用いてリボンを潰した後のリボンの斜視図である。ボンド面２００ａにより潰された部分２０２ａはボンド面２００ａが当てられていない部分２０２ｂよりも薄い。比較例２の場合も、たとえば超音波強度が高い方向へばらつくとネック部２０２ｃの強度が許容下限を下回る。
ところが、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法によれば、「意図しない潰し」が起こった場合は、ボンド面１０ａに加えてパワー分散面１０ｂがリボンに当たるので、リボンの潰しすぎを抑制できる。たとえば、第１及び第２比較例の場合と同様に、超音波強度が高い方向へばらつき「意図しない潰し」が起こった場合について説明する。図１７は、本発明の実施の形態１に係るボンディングツール１０を用いた場合の超音波強度とリボンの厚さの関係を示す図である。超音波強度が高い方向へばらついた場合でも、荷重と超音波はボンド面１０ａ及びパワー分散面１０ｂに分散され、リボン厚さの低下は軽微である。
図１８は、本発明の実施の形態１に係るボンディングツール１０を用いた場合の超音波強度と引っ張り強度の関係を示す図である。この図から明らかなように、超音波強度が高い方向にばらついた場合でも引っ張り強度を許容下限以上とすることができる。なお、超音波強度のばらつき以外のばらつきにより「意図しない潰し」が生じた場合でも同様に、リボンを潰しすぎてしまうことを回避し、引っ張り強度を確保できる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法では、「意図しない潰し」の際に軽微な潰れが発生することとしたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、パワー分散面を大面積にすることにより、「意図しない潰し」において潰れが生じないようにしても本発明の効果を得ることができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法では、ボンディングツール１０のボンド面１０ａとパワー分散面１０ｂの高低差（単に高低差という）と、ボンド面の直下領域のリボンの厚みの目標値（単にリボン厚み目標値という）とをともに１ｍｍとした。しかしながら、たとえば高低差をリボン厚み目標値よりも小さくしてもよい。高低差がリボン厚み目標値よりも小さい場合は、ボンド面とパワー分散面の両方がリボンに当たった状態でリボンに荷重と超音波を加えてリボン厚み目標値に到達するので、リボン厚み目標値を精度良く達成できる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法では、ボンド面１０ａの直下領域においては０．２ｍｍのリボンを０．１ｍｍに潰すこととした。十分な接合を得るためにはリボンの厚さを半分程度まで潰すことが好ましいが、必要な接合が得られる限りにおいてこれに限定されない。また、ボンド面１０ａの幅は１ｍｍであり、パワー分散面１０ｂの幅も１ｍｍとした。これによりパワー分散面１０ｂによる荷重分散効果を高めることができるが、必要な荷重分散効果が得られる限りにおいてこれに限定されない。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法では、接合体としてリボンを用い、被接合体として電極パターンを用いたが、接合体及び被接合体は超音波接合するものであれば特に限定されない。たとえば、接合体としてはリボンの他に平板などがあり、被接合体としては電極パターンの他にＩＣチップや外部電極がある。
実施の形態２．
図１９は本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造方法で用いるボンディングツール３００を示す図である。ボンディングツール３００は先端にボンド面３００ａを有している。ボンド面３００ａには格子状の刻み目がつけられている。ボンディングツール３００のボンド面３００ａよりも後退した位置には、ボンド面３００ａと平行なパワー分散面３００ｂが形成されている。
ボンディングツール３００を用いて本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法と同様の処理を行うと、ボンド面３００ａに格子状の刻み目がつけられていることで超音波印加時にボンド面３００ａがリボンに対してすべりにくくなる。これによって、超音波のパワーを効率よく安定してリボンに伝え、引っ張り強度の強いリボンボンドを実施できる。
図２０は、本発明の実施の形態２に係るボンディングツールの変形例を示す図である。ボンディングツール３０２は、平坦なボンド面３０２ａと格子状の刻み目がつけられたパワー分散面３０２ｂを有している。パワー分散面３０２ｂに形成された刻み目により、安定して引っ張り強度の強いリボンボンドが実施できる。
図２１は、本発明の実施の形態２に係るボンディングツールの変形例を示す図である。ボンディングツール３０４は、格子状の刻み目がつけられたボンド面３０４ａと同じく格子状の刻み目がつけられたパワー分散面３０４ｂを有している。よって、安定して引っ張り強度の強いリボンボンドが実施できる。
本発明の実施の形態２ではボンディングツールに格子状の刻み目を形成したが、他の形状の刻み目をつけてもよい。たとえば、ボンド面とパワー分散面のいずれか又は両方にワッフル状の刻み目を形成しても同様の効果を得ることができる。
実施の形態３．
図２２は本発明の実施の形態３に係る半導体装置の製造方法で用いるボンディングツール４００を示す図である。ボンディングツール４００は、ボンド面４００ａとボンド面４００ａよりも後退した位置にボンド面４００ａと平行な面となるように形成されたパワー分散面４００ｂを有している。このボンディングツール４００を用いて前述した実施の形態１に係る半導体装置の製造方法と同様の工程が実施される。ここで、パワー分散面４００ｂの一部はボンド面４００ａよりもリボンのネック部となるべき場所に近い方に当たる。
図２３は本発明の実施の形態３に係るボンディングツール４００によって処理されたリボンを示す図である。リボン４０２は、ボンディングツール４００のボンド面４００ａによって押し潰された部分４０２ａを備える。押し潰された部分４０２ａはリボン４０２の幅全体に渡って形成されている。また、この部分４０２ａの被接合体と接する部分には接合部分４０２ｂが形成されている。
押し潰された部分４０２ａの、リボン４０２の長手方向に隣接する部分には別の押し潰された部分４０２ｃが形成されている。この押し潰された部分４０２ｃはボンディングツール４００のパワー分散面４００ｂにより押し潰された部分である。押し潰された部分４０２ｃは押し潰された部分４０２ａよりもネック部４０２ｄに近い場所に位置している。従って、ネック部４０２ｄでのリボン４０２の厚みを確保できるのでリボン４０２の引っ張り強度を高めることができる。
実施の形態４．
図２４は本発明の実施の形態４に係る半導体装置の製造方法で用いるボンディングツール５００を示す図である。ボンディングツール５００は、ボンド面５００ａとボンド面５００ａよりも後退した位置にボンド面５００ａと平行な面となるように形成されたパワー分散面５００ｂを有している。パワー分散面５００ｂはボンド面５００ａを囲むように形成されている。このボンディングツール５００を用いて前述した実施の形態１に係る半導体装置の製造方法と同様の工程が実施される。
図２５は本発明の実施の形態４に係るボンディングツール５００によって処理されたリボン５０２を示す図である。リボン５０２は、ボンディングツール５００のボンド面５００ａによって押し潰された部分５０２ａを備える。そして、押し潰された部分５０２ａを囲むように別の押し潰された部分５０２ｂが形成されている。この部分５０２ｂはボンディングツール５００のパワー分散面５００ｂにより押し潰された部分である。押し潰された部分５０２ｂの一部は押し潰された部分５０２ａよりもネック部５０２ｃに近い場所に位置している。これによりネック部５０２ｃ近傍のリボン厚さを高めることができるので、リボンの引っ張り強度を高めることができる。また、パワー分散面５００ｂがボンド面５００ａを囲むように形成されているので、部分５０２ａに対する部分５０２ｂの割合を高めることができる。このようにパワー分散面５００ｂを大面積化すると、パワー分散面５００ｂがリボン５０２と接した後はリボン５０２の潰しが進行しづらく、リボン厚さの制御性を高めることができる。
１０ ボンディングツール、 １０ａ ボンド面、 １０ｂ パワー分散面、 １２ ホーン、 １４ 超音波発生器

Claims (7)

  1. 被接合体に接合体を接触させる工程と、
    ボンディングツールの先端に形成されたボンド面を前記接合体に当てて前記ボンド面の直下領域に前記被接合体と前記接合体との接合部分を形成するように前記接合体に荷重及び超音波を印加する工程と、
    前記ボンディングツールの前記ボンド面よりも後退した位置に前記ボンド面と平行な面となるように形成されたパワー分散面を、前記パワー分散面の直下領域に前記被接合体と前記接合体との接合部分が形成されないように前記接合体に当てる工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記接合体は、前記被接合体と離れる部分であるネック部を有するリボンであり、
    前記パワー分散面の一部は前記ボンド面よりも前記ネック部に近い方に当たることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記パワー分散面は前記ボンド面を囲むように形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記ボンド面と前記パワー分散面のいずれか又は両方には刻み目がつけられたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 先端にボンド面が形成され、前記ボンド面よりも後退した位置に前記ボンド面と平行な面となるようにパワー分散面が形成されたボンディングツールと、
    ホーンを介して前記ボンディングツールと接続された超音波発生器と、を有し、
    前記ボンディングツールは前記ボンド面の直下領域に接合体と被接合体の接合領域を形成し、前記パワー分散面の直下領域に前記接合体と前記被接合体の接合領域を形成しないように制御されることを特徴とする超音波接合装置。
  6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の製造方法を用いて製造された半導体装置。
  7. 請求項５に記載の超音波接合装置を用いて製造された半導体装置。
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