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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