JP2016072305A - 半導体装置の製造装置及び半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体装置の構成部材の超音波接合の際に、部材を確実に固定することができ、よって安定した接合状態を得ることができる半導体装置の製造装置を提供する。
【解決手段】板状部材１１及び接合部材１２を備える半導体装置の製造装置１であって、該板状部材２１を載置する板状治具１１と、板状治具１１の幅方向端部の上縁に当接可能な斜面を有し、該板状部材２１の幅方向端部に近接して該板状治具１１に固定された、第１の固定治具１２及び第２の固定治具１３と、板状部材２１に向けて接合部材２３を押圧しながら板状部材２１の幅方向に超音波振動を印加可能な超音波ホーン１４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造装置及び半導体装置に関する。
半導体装置の一例は、ベース板と、ベース板に接合された絶縁基板と、絶縁基板に接合された半導体素子と、絶縁基板に接合された外部端子とを備えている。絶縁基板は、絶縁板の一方の面に金属板を、他方の面に回路板を積層させたものである。半導体素子及び外部端子は、絶縁基板の回路板に接合されている。
外部端子と絶縁基板の回路板とを電気的かつ機械的に接合するための接合手段として、はんだが多く用いられてきた。近年、はんだ接合の代わりに、超音波接合を用いることについての研究開発が進められている。超音波接合は、超音波振動を加えつつ外部端子を絶縁基板の回路板に向けて押圧することにより、はんだ等の接合材を介さずに外部端子と回路板とを直接接合する。超音波接合は、常温で接合することができ、また、外部端子と絶縁基板との信頼性が高いという利点がある。
従来の超音波接合装置及び接合方法に関し、電極端子が設けられた回路基板に超音波振動を半導体チップに印加してフリップチップ接続をする超音波実装方法がある（特許文献１）。特許文献１の方法は、基板押さえ治具により押さえるようしている。しかし、パワー半導体モジュールを構成する部材を接合する技術ではなく、また、単に基板を押さえるだけでは基板を完全には固定できず、接合状態が安定しない可能性があった。
また、接合部材の両側面を印加部材と弾性部材とで挟持して超音波振動を印加する超音波接合方法及び装置がある（特許文献２）。しかし弾性部材を用いて挟持しても部材を完全には固定できず、接合状態が安定しない可能性があった。
更に、接続ストラップと半導体チップの電極や端子とを超音波接続する際に、接続ストラップを吸着する超音波接合治具がある（特許文献３）。しかし、単に部材を吸着するだけでは、完全には部材を固定できず、接合状態が安定しない可能性があった。
また、接着剤を用いた部品実装のための部品位置決めの際に、略寄せ棟屋根形状の凹部に部品を吸着させて、水平方向に微振動させる位置決め方法がある（特許文献４）。しかし、パワー半導体モジュールを構成する部材の超音波接合に、そのまま適用するのは困難であった。
更に、複数枚の板状部材の位置決めのために、複数の貫通孔にスプリングピンを貫通させる治具がある（特許文献５）。しかし、超音波接合に適用すると、貫通孔を挿通させるための隙間により接合時にはガタが生じるので完全には部材を固定できず、接合状態が安定しない可能性があった。
特開２００６−１２８４８６号公報 特開２００７−１２３９３７号公報 国際公開第２００５／１１７０９５号 特開平１０−２９６９８５号公報 特開２０１３−１５８８５８号公報
そこで、本発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、パワー半導体モジュールを例とする半導体装置の構成部材の超音波接合の際に、部材を確実に固定することができ、よって安定した接合状態を得ることができる半導体装置の製造装置を提供することを目的とする。
本発明の一側面は、板状部材及び接合部材を備える半導体装置を製造するための製造装置であって、該板状部材を載置する板状治具と、該板状部材の幅方向端部の上縁に当接可能な斜面を有し、該板状部材の幅方向端部に近接して該板状治具に固定されるように構成された、第１の固定治具及び第２の固定治具と、該板状部材に向けて接合部材を押圧しながら板状部材の幅方向に超音波振動を印加可能な超音波ホーンとを備えている。
本発明の別の側面の半導体装置は、ベース板と、該ベース板に接合された絶縁基板と、該絶縁基板に搭載された半導体素子と、該絶縁基板に超音波接合により接合された外部端子とを備えている。該ベース板の幅方向端部の上縁に、上記の半導体装置の製造装置の第１の固定治具及び第２の固定治具の少なくとも一方による圧痕が形成されている。
本発明の半導体装置の製造装置によれば半導体装置の構成部材の超音波接合の際に、部材を確実に固定することができ、よって安定した接合状態を得ることができ、ひいては信頼性の高い接合を可能とする。
本発明の半導体装置の製造装置の一実施形態の模式的な断面図である。 第２の固定治具近傍の部分拡大図である。 第２の固定治具の斜面の角度θＡと、超音波接合後の外部端子の引張強度との関係を示すグラフである。 第２の固定治具近傍の部分拡大図である。 第２の固定治具の斜面の角度θＢと、超音波接合後の外部端子の引張強度との関係を示すグラフである。 第２の固定治具近傍の部分拡大図である。 第２の固定治具の変形例の断面図である。 第２の固定治具の変形例の断面図である。 半導体装置の製造装置の一実施形態の平面図である。 超音波接合工程を経た半導体装置の平面図である。 別の実施形態の半導体装置の製造装置の断面図である。 比較例の半導体装置の製造装置の断面図である。 比較例の半導体装置の製造装置の断面図である。
以下、本発明の半導体装置の製造装置及び当該製造装置を用いて製造された半導体装置の実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。なお、以下の説明では、上、下については図面に示した上、下の位置関係を意味している。
（実施形態１）
図１は、本発明の半導体装置の製造装置の一実施形態の模式的な断面図である。図１に示す半導体装置の製造装置１は、板状治具１１と、第１の固定治具１２と、第２の固定治具１３と、超音波ホーン１４とを備えている。この製造装置１は、半導体装置の製造過程において半導体装置の板状部材を固定し、接合部材を超音波接合するための装置である。
より具体的な例において、半導体装置は、パワー半導体モジュールであり、板状部材はベース板２１であり、接合部材は外部端子２３である。パワー半導体モジュールはベース板２１と、ベース板２１のおもて面にはんだ等の接合材により固定された絶縁基板２２と、絶縁基板２２に接合される外部端子２３とを備えている。絶縁基板２２は、絶縁板２２ａと回路板２２ｂと、金属板２２ｃとからなる。本実施形態の半導体装置の製造装置１は、一実施形態として、回路板２２ｂと外部端子２３とを超音波接合により直接接合する装置である。
本実施形態の製造装置１を用いた超音波接合工程を経て最終的に得られるパワー半導体モジュールは、図１に示されたベース板２１、絶縁基板２２及び外部端子２３の他に、回路板２２ｂ上にはんだ等の接合材により接合された半導体素子としての半導体チップや、半導体チップの電極と回路板２２ｂとを電気的に接続する配線部材や、絶縁基板２２、半導体チップ及び配線部材等を収容する筐体等を備えている。図１及び以下の説明で用いる図面においては、本発明の構成の理解を容易にするために半導体チップや配線部材等の図示を省略している。
本実施形態の製造装置１の板状治具１１は、平坦なおもて面１１ａを有し、このおもて面１１ａ上に、ベース板２１が載置される。ベース板２１の幅方向端部に近接して、第１の固定治具１２及び第２の固定治具１３が板状治具１１に固定されている。これらの第１の固定治具１２及び第２の固定治具１３によってベース板２１を挟むようにして固定する。
第１の固定治具１２は、略台形の断面形状を有し、ベース板２１に対向する側に、ベース板２１の幅方向端部の上縁に当接する斜面１２ａを有している。第１の固定治具１２は、板状治具１１のおもて面１１ａに、例えば図示しないボルトやねじ等により固定されている。
図２に、第２の固定治具１３近傍の部分拡大図を示す。第２の固定治具１３は、ベース板２１に対向する側に、ベース板２１の幅方向端部の上縁に当接する斜面１３ａを有している。また、斜面１３ａの下端と接続して第２の固定治具１３の下端まで延びる垂直面１３ｂと、下端に形成された下面１３ｃと、下面１３ｃの端部からベース板２１とは反対側に延びる斜面１３ｄと、この斜面１３ｄと接続する垂直面１３ｅと、上面１３ｆとを有する多角形の断面形状になる。
第２の固定治具１３は、板状治具１１に形成された凹部１１ｂに、当該第２の固定治具１３の下部が挿入され、例えば図示しないボルトやねじ等により着脱可能に固定されるよう構成されている。
第２の固定治具１３の下部形状に対応して板状治具１１に形成された凹部１１ｂは、第２の固定治具１３の垂直面１３ｂに対応する垂直面１１ｂｂ、第２の固定治具１３の下面１３ｃに対応する底面１１ｂｃ、第２の固定治具１３の斜面１３ｄに対応する斜面１１ｂｄを有している。これにより、第２の固定治具１３の下部は、板状治具１１の凹部１１ｂに着脱可能に嵌まり合う形状を有している。
超音波ホーン１４は、図示しない超音波発振子から超音波振動が伝達され、その先端を外部端子２３に当接し、回路板２２ｂに向けて押圧しながらベース板２１の幅方向と同じ方向の超音波振動を外部端子２３に印加する。図１に超音波振動の方向を矢印で示した。これにより外部端子２３を回路板２２ｂに超音波接合する。
半導体装置の製造装置１により回路板２２ｂと外部端子２３とを超音波接合する接合方法について説明する。まず、絶縁基板２２が接合されたベース板２１を用意する。また、第１の固定治具１２を固定させた板状治具１１を用意する。
ベース板２１を板状治具１１のおもて面１１ａに載置する。このとき、ベース板２１の幅方向端部のうちの一端の上縁を、第１の固定治具１２の斜面１２ａに当接させるようにする。
次に、板状治具１１の凹部１１ｂに嵌まり合うように、第２の固定治具１３の下部を挿入し、ボルト又はねじにより固定する。このとき、ベース板２１の幅方向の他方の端の上縁を、第２の固定治具１３の斜面１３ａに当接させ、斜面１３ａからベース板２１の方向に押圧力が加わるようにすることでベース板２１を確実に固定することができる。
ベース板２１の固定後に、回路板２２ｂの所定位置に向けて外部端子２３を超音波ホーン１４により押圧しながら、超音波振動をベース板２１の幅方向と同じ方向に加えることにより、回路板２２ｂと外部端子２３とを超音波接合する。
本実施形態の半導体装置の製造装置１は、ベース板２１を挟むように設けられた第１の固定治具１２及び第２の固定治具１３により、ベース板２１の幅方向端部を斜め上方向から押さえつけるようにして確実に固定することができる。第１の固定治具１２の斜面１２ａと第２の固定治具１３の斜面１３ａは、それぞれ板状治具１１に対し角度をもち斜めになるよう形成されており、斜面１２ａと斜面１３ａからベース板２１に作用する押圧力は、ベース板２１を板状治具１１に押さえつける方向にはたらく。したがって、ベース板の幅方向に超音波振動する超音波ホーン１４から超音波振動を外部端子２３に印加して接合するときに、ベース板２１が超音波の振動方向と同じ方向に振動するのを抑制することができ、よって安定して信頼性の高い接合をすることができる。
また、ベース板２１は、図１に示したように板状治具１１に向かって凸になるように部分的に又は全体的に反った形状を有していることが多い。このようにベース板２１が反った形状を有している場合であっても、第１の固定治具１２及び第２の固定治具１３によりベース板２１を斜め上方向から押さえ付けるように固定するから、押さえ付ける力の垂直方向の分力によりベース板２１を板状治具１１に対して押圧して、反りが浮かない程度に密着させることができる。よって超音波接合時にベース板２１と板状治具１１とのがたつきを抑制することができるから、安定して信頼性の高い接合をすることができる。
図１に示した第２の固定治具１３は、ベース板２１に対向する側に斜面１３ａを有するばかりでなく、下端からベース板２１とは反対側に延びる斜面１３ｄをも有している。この斜面１３ｄを有していることにより、第２の固定治具１３の下部を板状治具１１の凹部１１ｂに挿入したときに、板状治具１１の凹部１１ｂの垂直面１１ｂｂに第２の固定治具１３の垂直面１３ｂが密着し、凹部１１ｂの斜面１１ｂｄに第２の固定治具１３の斜面１３ｄが密着する。したがって、凹部１１ｂ内で第２の固定治具１３がベース板２１の幅方向にがたつくことを防止することができ、よって、確実にベース板２１を固定することができる。
第１の固定治具１２及び第２の固定治具１３において、ベース板２１に当接する斜面１２ａ、１３ａが、垂直方向（すなわち板状治具１１のおもて面１１ａに対する垂線方向）からなす角度θＡは、２０〜７０°の範囲とすることが好ましい。図２に、第２の固定治具１３における角度θＡを図示した。θＡが２０〜７０°の範囲内であることにより、ベース板２１の幅方向端部の上縁と接触したときに、ベース板２１の幅方向及び厚さ方向の両方に押さえる力を生じさせることができ、よって確実にベース板２１を固定することができる。
図３に、第２の固定治具１３の斜面１３ａの角度θＡと、超音波接合後の外部端子２３の引張強度との関係について調べた結果をグラフで示す。θＡが２０〜７０°の範囲で良好な引張強度が得られた。θＡが２０°に満たないとベース板２１の厚さ方向への押さえる力が小さくなり、ベース板２１のばたつきが増加するために強度が低下した。θＡが７０°を超えるとベース板２１幅方向への押さえる力が小さくなり、ベース板２１は超音波振動による横揺れが増加するために強度が低下した。最も好ましいのは４５°である。なお、図２では第２の固定治具１３を用いて角度θＡを示したが、第１の固定治具１２についても好適な角度θＡは同様であり、２０〜７０°の範囲が好ましい。
第２の固定治具１３において、板状治具１１の凹部１１ｂの斜面１１ｂｄと接触する部分の斜面１３ｄが垂直方向となす角度θＢは３〜４５°の範囲とすることが好ましい。図４に、第２の固定治具１３における角度θＢを図示した。θＢが３〜４５°の範囲内であることにより、板状治具１１の凹部１１ｂ内で第２の固定治具１３ががたつくのを抑制することができ、よって確実にベース板を固定することができる。
図５に、第２の固定治具１３の斜面１３ｄの角度θＢと、超音波接合後の外部端子２３の引張強度との関係について調べた結果をグラフで示す。θＢが３〜４５°の範囲で良好な引張強度が得られた。θＢが３°に満たないと凹部１１ｂ内でボルト又はねじのみで第２の固定治具１３を固定することになり、がたつきが生じ易かったために強度が低下した。θＢが４５°を超えるとベース板２１をその幅方向、すなわち超音波ホーン１４の振動方向へ押さえる力が小さくなりベース板２１の横揺れが増加するために強度が低下した。
図６に第２の固定治具１３におけるボルト又はねじを取り付ける位置と、斜面１３ａがベース板２１の幅方向端部の上縁に接する位置との水平方向の距離Ｌ１を示す。ここで水平方向とは、板状治具１１のおもて面１１ａの面内方向に平行な方向である。図６から明らかなように、第２の固定治具１３は、斜面１３ａの下端に接続する垂直面１３ｂを有する形状であることから、距離Ｌ１が短い。
図６に示す第２の固定治具１３との対比のために、第２の固定治具の変形例の断面図を図７に示す。図７に示した固定治具１５は、ベース板２１に対向する側に、ベース板２１の幅方向端部の上縁に当接する斜面１５ａを有している。また、斜面１５ａと接続して下端に形成された下面１５ｃと、下面１５ｃの端部からベース板２１とは反対側に延びる斜面１５ｄと、この斜面１５ｄと接続する垂直面１５ｅと、上面１５ｆとを有する多角形の断面形状になる。固定治具１５は、第２の固定治具１３の垂直面１３ｂと同様の垂直面を有していない点で図６に示した第２の固定治具１３と形状が相違している。図７に示した固定治具１５は、第２の固定治具１３が有しているのと同様の斜面１５ａ及び斜面１５ｄを有することから、第２の固定治具１３が具備するのと同様の効果を有している。もっとも固定治具１５は、ボルト又はねじを取り付ける位置と、斜面１５ａがベース板２１の幅方向端部の上縁に接する位置との水平方向の距離Ｌ２が、図６に示した第２の固定治具１３と比べて長い。これによりボルト又はねじの軸力に由来した、ベース板２１を押さえる力は第２の固定治具１３よりも小さい。つまり、図６に示した第２の固定治具１３は、図７に示した固定治具１５に比べてベース板２１を押さえる力が大きいので、より好ましい形状である。
図８に第２の固定治具１３の変形例の断面図を示す。図８に示した固定治具１６は、ベース板２１に対向する側に、ベース板２１の幅方向端部の上縁に当接する斜面１６ａを有している。また、斜面１６ａの下端と接続して固定治具１６の下端まで延びる垂直面１６ｂと、下端に形成された下面１６ｃと、下面１６ｃの端部からベース板２１とは反対側に延びる斜面１６ｄと、この斜面１６ｄと接続する垂直面１６ｅと、上面１６ｆとを有する多角形の断面形状になる。固定治具１６は、図６に示した第２の固定治具１３と比べて下面１６ｃが幅広になっている。下面１６ｃが幅広であることにより、固定治具１６は、第２の固定治具１３に比べてボルト又はねじで固定された部分を中心として回動しようとする力が抑制されるので、より確実にベース板２１を固定することができる。
本発明の半導体装置の製造装置の一実施形態の模式的な平面図を図９に示す。図９では、図１と同じ部材については同一符号を付しているので以下では重複する説明を省略する。また、本発明の理解を容易にするために外部端子２３及び超音波ホーン１４については図示を省略している。
図９に示した実施形態では、ベース板２１の長手方向に沿って第１の固定治具１２及び第２の固定治具１３がそれぞれ均等な間隔を空けて複数個設けられている。第２の固定治具１３は、図１の板状治具１１の凹部１１ｂと同様の凹部が形成された固定板１７に取り付けられ、固定板１７を通して板状治具１１にボルト又はねじ等で固定されている。第１の固定治具１２及び第２の固定治具１３の個数及びベース板２１の長手方向に沿う方向の長さ（長手方向の長さ）は任意である。例えば、第１の固定治具１２及び第２の固定治具１３の少なくとも一方の長手方向の長さを、ベース板２１の長手方向の長さと略同じ長さとする構成とすることもできる。
図１及び図９に示した実施形態では、断面形状が異なる第１の固定治具１２及び第２の固定治具１３を用いている。図１の第１の固定治具１２の代わりに第２の固定治具１３を用いることができる。換言すればベース板２１の幅方向両端のそれぞれに第２の固定治具１３を設けて、ベース板２１を固定する構成とすることもできる。
（実施形態２）
図１０に、図１及び図９に示した実施形態の製造装置による超音波接合工程を経た半導体装置２０を、主要な部材であるベース板２１及び絶縁基板２２のみで示す。図１及び図９に示した実施形態の製造装置による超音波接合工程を経て組み立てられた半導体装置２０は、ベース板２１の幅方向両端の上縁に、第１の固定治具１２の斜面１２ａ及び第２の固定治具１３の斜面１３ａに当接し押さえ付けられながら固定されたときの圧痕２１ａが形成されている。圧痕２１ａは、丸められた角部として現れていて、わずかな領域であるが圧痕のない角部とは明確に識別できる。
（実施形態３）
図１１に別の実施形態の半導体装置の製造装置を示す。図１１に示す製造装置２は、超音波接合を行う半導体装置が上述した半導体装置と異なる。具体的には、ベース板を有していない。また、絶縁板３１ａの両面に厚板の銅板よりなる回路板３１ｂ及び金属板３１ｃをそれぞれ積層してなる基板３１を備えている。この回路板３１ｂにピン形状で先端をＬ字形にした外部端子３３を超音波接合するのに好適な本実施形態の製造装置２は、板状治具１１と、第１の固定治具１８及び第２の固定治具１９と、超音波ホーン１４とを備えている。第１の固定治具１８及び第２の固定治具１９は、当該基板３１を固定するために斜面１８ａ、１９ａを有しているが、絶縁板３１ａと接触する可能性のある領域が削られている。それ以外は図１を用いて説明した第１の固定治具１２及び第２の固定治具１３と同様の形状を有している。図１１に示した本実施形態の半導体装置の製造装置は、斜面１８ａ、１９ａ及び１９ｄを有していることから、図１を用いて説明した半導体装置の製造装置と同様の効果を有している。また、図１１に示した実施形態の製造装置による超音波接合工程を経た半導体装置は、図１０に示したのと同様の圧痕が、回路板３１ｂの幅方向両端の上縁に形成されている。
（比較例）
図１２、図１３に、比較例の半導体装置の製造装置を断面図で示す。図１２は治具１１１上のベース板２１の幅方向端部をその上方から治具１１２により厚さ方向に押圧することにより固定した比較例である。図１３は、排気孔１１３ａを有する治具１１３により治具１１３上のベース板２１を吸着固定した比較例である。これらの比較例と比べて、各実施形態は、ベース板２１をより確実に固定することができるという優れた効果を奏する。
以上本発明の半導体装置の製造装置及び半導体装置を図面及び実施形態を用いて具体的に説明したが、本発明は、実施形態及び図面の記載に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で幾多の変形が可能である。
１、２ 半導体装置の製造装置
１１ 板状治具
１２、１８ 第１の固定治具
１３、１９ 第２の固定治具
１４ 超音波ホーン
２１ ベース板（板状部材）
２３ 外部端子（接合部材）

Claims (9)

  1. 板状部材及び接合部材を備える半導体装置の製造装置であって、
    該板状部材を載置する板状治具と、
    該板状部材の幅方向端部の上縁に当接可能な斜面を有し、該板状部材の幅方向端部に近接して該板状治具に固定されるように構成された、第１の固定治具及び第２の固定治具と、
    該板状部材に向けて接合部材を押圧しながら板状部材の幅方向に超音波振動を印加可能な超音波ホーンと
    を備えることを特徴とする半導体装置の製造装置。
  2. 前記第１の固定治具及び第２の固定治具の少なくとも一方が、更に、下端から前記板状部材とは反対側に延びる斜面を有する請求項１記載の半導体装置の製造装置。
  3. 前記斜面が垂直方向となす角度が２０〜７０°である請求項１記載の半導体装置の製造装置。
  4. 前記斜面が垂直方向となす角度が３〜４５°である請求項２記載の半導体装置の製造装置。
  5. 前記第１の固定治具及び第２の固定治具の少なくとも一方が、前記板状部材の幅方向端部の上縁に当接可能な斜面の下端に接続した垂直面を更に有する請求項１又は２記載の半導体装置の製造装置。
  6. 前記板状部材がベース板であり、前記接合部材が外部端子であり、該ベース板に接合された絶縁基板と該外部端子とを超音波接合する請求項１記載の半導体装置の製造装置。
  7. 前記板状部材が絶縁板の両面にそれぞれ回路板と金属板を接合した基板であり、前記接合部材が外部端子であり、該基板の回路板と該外部端子とを超音波接合する請求項１記載の半導体装置の製造装置。
  8. ベース板と、該ベース板に接合された絶縁基板と、該絶縁基板に搭載された半導体素子と、該絶縁基板に超音波接合により接合された外部端子とを備え、
    該ベース板の幅方向端部の上縁に、請求項６記載の半導体装置の製造装置の第１の固定治具及び第２の固定治具の少なくとも一方による圧痕が形成されていることを特徴とする半導体装置。
  9. 絶縁板と、該絶縁板の一方の表面に形成された金属板と、該絶縁板の他方の表面に形成された回路板と、該回路板に搭載された半導体素子と、該回路板に超音波接合により接合された外部端子とを備え、
    該回路板の幅方向端部の上縁に、請求項７記載の半導体装置の製造装置の第１の固定治具及び第２の固定治具の少なくとも一方による圧痕が形成されていることを特徴とする半導体装置。
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