JP2812098B2 - 半導体装置の接合強度評価システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の接合部の接
合強度評価システムに関し、特に圧着接合技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ
Ｂｏｎｄｉｎｇ（以下ＴＡＢ）の設計製造並びにその接
合部の強度評価は次の様におこなわれている。スプロケ
ットホールを持ったポリイミドテープに銅箔をラミネー
トし、これにボンディングワイヤに相当するリードパタ
ーンをフォトエッチングにより形成した後、金・錫又は
半田メッキしたＴＡＢテープと外部引き出し用電極パッ
ド上に突起型電極（以下バンプ）を形成した半導体素子
を準備し、このバンプにＴＡＢテープのリードを重ね合
わせ所要の加圧力、加熱温度及びそれぞれの作用時間さ
らに圧下による押し込み量等を設定し、ボンディングを
行っていた。ボンディング後その接合性を判断するため
に図３に示すテンションゲージによる引張り試験によっ
て確認する方法を用いていた。

【０００３】図３において、半導体素子３上のバンプ２
にフィルムキャリアテープリード１をボンディングし、
そこにテンションゲージ５からのフック４を引っ掛けて
上方に引っ張る。一方、このリード１はポリイミドテー
プ１ａ上の接着層１ｂに接着している。そしてこの試験
の手順は図６に示すフローチャートのように行なわれ
る。

【０００４】また、これとは別に構造部材や素形材に施
されたスパッタ法やイオンプレーティング，蒸着法，さ
らに古くからある鋼材に対する浸炭法や高周波焼き入れ
などによる表面改質後の表面層の機械的性質や薄膜密着
強度を評価する手法（例えばスクラッチテスト，マイク
ロビッカーズ硬度など）並びに溶接継手の継手強度や接
着剤による接着強度の評価手法が考案されており、ＪＩ
Ｓ規格（例えばＪＩＳＫ６８４９−７６，ＪＩＳＺ３１
２１など）となって広く用いられている。半導体装置に
対してもこれらの手法を応用したりして、評価を行って
きていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の半導体
装置の接合強度評価法、特にテンションゲージ法（図
３）による評価では、過去の実績からあらかじめ設定し
た基準の強度を満足するか否かの二値的判断としてしか
情報を得られないため、設計指針へのフィードバックが
受身的にならざる得ない。

【０００６】さらに、実製品又はそれに近い形態の試作
品を用いた多数の製造プロセスを経た後のサンプンルを
用いて評価しなければならないので資材の手配・購入か
ら試作投入・評価用サンプル作成までに要する時間に長
時間費やされ、試作コストと試作に費いやす技術者の工
数は開発期間を短くしていかねばならない現在の設計環
境にあっては技術者にとって常に問題となっているとこ
ろであった。

【０００７】さらにこのテンションゲージによる手法
は、その値が接合部の見かけの強度を与えるのみで実際
の接合強度を示しているわけではなかった。

【０００８】そこで、従来の構造部材や各種素形材に施
される表面改質技術（例えばめっき法，スパッタ法，蒸
着法，拡散浸透法など）によって得られた表面改質層の
機械的性質や形成膜の母材との密着強度を評価する手
法，溶接継手や接着剤による接着後のそれぞれ継手強
度，接着強度を評価する手法などのいずれもＪＩＳ規格
の中で規格化定式化されている評価手法を適用する場合
もある。

【０００９】しかしながらこれらはあくまでも構造的に
も力学的にも標準化・理想化された状態における指標で
あるので例えば、本発明にて対象としている半導体装置
のフィルムキャリアテープリードとバンプの接合部内の
詳細な接合強度分布、つまり、どの部位で強く接合し、
その接合強度を負担しているか又、リード及びバンプの
接合面形状・寸法が変化した場合はどう変化するかさら
に圧着時の荷重・温度・変形量との相関などの予測が必
要な時に上述した理想化された状態での評価結果を何ら
かの方法でもってより実際的な指標に変換しなければな
らない必要性が生じてくる。このような問題を一義的に
解決し、定量的に評価結果を得るための評価システムは
実用的なものとして未だ存在していないのが実情であっ
た。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の接
合強度評価システムは、Ａ：単軸圧縮ならびに単軸引張
りが行える往復運動が可能なシリンダ・ピストン機構か
往復運動の速度制御が可能なサーボ機構等が備えられた
ラック・ピニオン機構又は送りねじ機構等で構成された
動力伝達部を有するプレス機構部と、Ｂ：そのプレス機
構部の駆動動力の大きさやプレス時及び引張り時のスピ
ードを制御するプレス制御部と、Ｃ：金属等（例えば素
銅など）の円柱状の中実丸棒（直径数ｍｍ以下）の一端
面に半導体材料として使われるメッキ材や薄膜材をそれ
ぞれメッキ法やスパッタリング・蒸着法等で同薄膜・メ
ッキ膜を一定の厚みで形成したものを少なくとも２本１
組以上と、Ｄ：プレス機構部にこの中実丸棒の一端をそ
の互いの中心軸を一致させて同丸棒の端面が相対して突
き合わされるように固定する固定装置部と、Ｅ：そのメ
ッキ膜等が形成された丸棒の端面が互いに突き合わされ
ている部分の周囲に電熱線ヒータ等並びに温調計によっ
てその周囲部を所要の温度に加熱・保温する脱着可能な
ヒータ部と、Ｆ：プレス機構部に備えられたプレス荷重
及び引張り荷重を計測するロードセル並びにプレス及び
引張り時の変位を計測する変位計等で構成さえたセンサ
部と、Ｇ：このセンサー部より出力されるプレス及び引
張り時の過度現象を記録する計装系部と、Ｈ：過度現象
のデータを計算処理し、プレス時にはロードセルからの
出力であるという荷重−時間曲線と変位計からの出力で
ある変位−時間曲線とから中実丸棒の端面に形成された
メッキ膜等の半導体材料の変形特性を示すプレス時の温
度及びひずみ速度下での応力−ひずみ曲線を算出し、
又、プレス後の中実丸棒の端面が接合され一体化された
後に行われる引張り時にはロードセルの出力から室温か
つ低ひずみ速度下での最終破断強度を算出し、その最終
破断強度をプレス時の温度及びひずみ，ひずみ速度で対
応させ定式化し、フロッピィディスク装置等の周辺装置
に同データを保存し、任意に同結果をグラフィック表示
させる一連の手続きと、Ｉ：有限要素法やモデル材料プ
ラスティシン等を用いた物理シミュレーション法等の変
形過程におけるＭｅｔａｌ ｆｌｏｗの様相を可視化し
ひずみ解析が行える解析システムによって別途得られた
半導体装置の接合部内あるいはモデル材料による接合部
モデル内の詳細なひずみ分布，ひずみ速度分布，温度分
布の結果と前述した手続きとをひずみ，ひずみ速度，温
度のパラメータで連動させて、半導体装置の接合部の接
合強度分布を定量的に示し得る一連の手続きとが組み込
まれた中央処理装置部との、Ａ〜Ｉの構成を備えてい
る。

【００１１】

【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図１は本発明の第１の実施例の全システム構成図で
ある。

【００１２】アクチュエータとして空気アクチュエータ
を用い、シリンダ１１は片ロッド型復動エアシリンダで
ピストン１２が往復運動するようになっている。このプ
レス機構部１０を制御するのがプレス制御部５０で、端
面加工が施された中実丸棒サンプル３１の２本１組に対
し単軸圧縮を行う時は、プレス制御コントローラ５５よ
りプレス（圧縮）側電動レギュレータ５４ａに圧力設定
信号を送り所要の空気圧がプレス側エア配管５１ａを通
してシリンダ１１内に負荷されるように設定される。こ
の時、同圧力は、プレス側ゲージ５３ａにて確認する。
さらにプレス制御コントローラ５５からプレス側直動弁
５２ａにプレスタート信号が送られ圧縮を行う。

【００１３】この時、２本のサンプル３１は接合端面３
２をたがいに突き合わせてあって他端を回転式チェック
（サンプル固定部）４１にて２本のサンプル３１の中心
軸が一致するように固定しておく。回転式チャック４１
の機構要素は一般の機械工作に使われる族盤で被削物を
固定し、中心軸出しが行なえる回転式チャックと同様の
ものを用いればよい。また、圧縮の状態を客観的に知る
ために圧縮荷重を高感度・高精度のロードセル２２でそ
して、圧縮変位を変位計２１で実時間で計測する。

【００１４】変位は微小変位となることから、この変位
を計測するには市販の静電容量型変位計が望ましい。さ
らに、実製品における実際のボンディング過程と対応が
とれるようにするために、ボンディング時の温度を電熱
線ヒータ４２と温調計４３によって再現する。上記変位
出力とロードセル出力は電気信号の形でアンプ６１に転
送されて所要の電圧に増幅され、さらに計装系６２（例
えば岩通電子製のデジタルメモリＤＭ−７１００など）
に転送されて、実時間に対応した電圧変化を記録保持す
る。この変位と荷重の電圧出力から実際の荷重−変位曲
線、さらに中実丸棒サンプル３１の寸法から応力−ひず
み曲線を算定する処理を行うのが中央処理装置部のコン
ピュータ７１である。この応力−ひずみ曲線の算定手順
は後で述べる。

【００１５】単軸圧縮が行われた後、サンプル３１の接
合端面３２の部分の接合強度を評価するために圧縮され
たサンプル３１をそのまま用いて単軸引張りを行う。こ
の時、サンプル３１の温度は室温にもどしておく。前述
したプレス制御部５０のプレス制御コントローラ５５に
て、今度は、引張り側電空レギュレータ５４ｂに圧力設
定信号を送り、所要の圧力に設定し、それを引張り側ゲ
ージ５３ｂにて確認した後、再びプレス制御コントロー
ラ５５により引張り側直動弁５２ｂに引張りスタート信
号が送られ、高圧空気が引張り側エア配管５１ｂを通っ
てシリンダ１１内に流れ込む。これによって、ピストン
１２は鉛直上方に持ち上げられるように運動し、回転式
チャック４１を通してサンプル３１に引張り荷重が負荷
される。これは接合層３２が破断するまで続けられる。
この時の最大引張り強度に以って接合層３２の接合強度
とし、フロッピィディスク装置７２に前述した同サンプ
ルの応力−ひずみ曲線と圧縮時の温度，荷重変位の各条
件と合わせて記録し、データベースとする。接合強度の
定式化については後で述べる。

【００１６】この単軸引張りによって得られた接合強度
の情報と実際の半導体装置の複雑な構造でかつ多軸応力
−多軸ひずみ状態にある接合部（バンプとリード）の有
限要素法やモデル材料を用いて行う物理シミュレーショ
ン法等のひずみ解析システムによって得た相当ひずみ
（バーε）の分布情報とを、この相当ひずみ（バーε）
の値を介して合わせて従来取ることのできなかった同部
分の詳細な接合強度分布の情報を算出し、グラフィック
等によって表示させ可視化することができる。

【００１７】続いて本発明の第２の実施例について説明
する。図２はその第２の実施例の全システムの構成図で
ある。図１の第１の実施例と異なる部分だけの説明をす
ると、まず空気アクチュエータの代わりにラック１０
１，ピニオン１０２の歯車伝達機構とパルスモータ（サ
ーボモータ）１０３とからなる電動アクチュエータを用
いることで正確な駆動力伝達と速度設定が行える利点が
ある。特にプレス・引張り速度はレゾルバ２０１の回転
角の検知とその検出信号をＡ／Ｄ変換器２０３を通して
コンパレータ２０４にて設定値と比較し、その差を加減
速回路２０２によって補正し、さらにパルスモータ１０
３にフィードバックすることで精度を上げることができ
るようになる。また、そのプレス動特性をプレス動特性
生成プログラム８２で変位−時間曲線が第１式、プレス
速度−時間曲線が第２式、荷重−時間が第３式、

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【００２１】として設計でき、その設定値をディジタル
値にて可変周波数パルス発振器２０５に転送するとこれ
がパルスモータ１０３を回転させる周波数を生成して同
モータに送られ、モータが回転する。これによって、任
意のボンディング条件を精度よく再現または設計できる
ことになる。さらに防振台４５によって微小変位である
圧縮時の圧縮量を外部の振動の影響を少なくして計測で
きるようになっている。その他の半導体材料の応力−ひ
ずみ曲線の算定や、接合強度の評価等は第１の実施例に
準ずる。

【００２２】次に、本発明を用いた半導体材料の応力−
ひずみ曲数の算定手順を述べる。図７はその手順を示し
たフローチャートであり、図９，図１０，図１１は同手
順を図式化したものである。

【００２３】まず、直径が数ｍｍ以下の中実丸棒（例え
ば銅，アルミ等）で、同寸法のもの２本１組を少なくと
も２組以上用意する。この中実丸棒の一端面は端面加工
により平坦処理されていて、その端面に半導体材料（例
えば、フィルムキャリアテープのリード又はバンプに用
いられているめっき膜材など）による薄膜が、めっき
法，スパッタリング法，蒸着法などによって形成されて
いる。この形成膜３３があるサンプル３１と形成膜３３
を設けていないサンプル３１′とを別々に準備する。

【００２４】形成膜３３のないサンプル３１′をまず本
評価システムにセットし前述した単軸圧縮試験を行う。
この時図９に示したようにヒータ４２によって端面３
２′近傍を実際のボンディング温度Ｔと一致させ一定と
し、圧縮荷重Ｐ（任意に設定）を負荷して圧縮量Δ
ｌ₀ ′と負荷Ｐの値を計測して第４式を算出する。そし
てこのときの応力σ₀ とひずみε₀ は第５式で表わされ
る。

【００２５】

【００２６】

【００２７】第４式の荷重Ｐと温度Ｔは圧縮が行われた
時の条件を表わしている。第４式によって、突き合わせ
状態下の中実丸棒そのものの応力−ひずみ曲線が得られ
たことになる。

【００２８】続いて、半導体材料の形成膜３３が設けら
れたサンプル３１にて同様の圧縮試験を行う。この時の
応力，ひずみは、第５式と同様に次の第６式となる。

【００２９】

【００３０】この関係を圧縮荷重Ｐ，温度Ｔのもとで行
ったとして次の第７式として定式化とする。

【００３１】

【００３２】第４式と第７式との差が、半導体材料によ
る形成膜３３のみの応力σ−ひずみε曲線となると考え
てよいから次の第８式となり、これが第９式のように定
式化したことになる。

【００３３】

【００３４】

【００３５】これにより、突き合わせ状態下における半
導体材料薄膜の応力−ひずみ関係が得られたことになる
（図１１参照）。

【００３６】次に、圧縮が修了した後、形成膜３３の接
合強度を評価す。同手順は図８にそのフローチャートが
示してある。

【００３７】まず、圧縮が修了した時点で、圧縮荷重Ｐ
とヒート４２による加熱・保温を除いて、接合端面３２
が室温になるまで待つ。その後、プレス機構部１０の往
復運動性からサンプル３１を引張る方向へ設定し、所要
の引張り荷重にて引張試験を開始する。

【００３８】図１２にその時の様子を図式化したものを
示す。この時において、形成膜３３の厚さｔ₀ はサンプ
ル３１の直径Ｄより十分に小さいことに注意する。この
厚さが厚くなると見かけ上単直引張り試験であっても形
成膜３３においては、サンプル３１の母材との材質不連
続性から形成膜３３の内部で３軸応力状態になってしま
うからである。ｔがＤに対して少なくとも１桁以上小さ
いことが必要である。

【００３９】引張り郷土σ_B 、すなわち接合強度Ｄ＞＞
ｔの関係を考慮して、サンプル３１断面の平均応力で評
価できて（図４，図５を参照のこと）、次の第１０式と
なる。

【００４０】

【００４１】この時、第１０式中の圧縮荷重Ｐと温度Ｔ
は圧縮時の条件を示している。この圧縮時の荷重Ｐと温
度Ｔと接合強度σ_B ，圧縮ひずみεとの関係は、図１３
にグラフ化して示してある。ここで、図１３の図面に示
したひずみ解析システムによる半導体装置の実際の接合
部内の相当ひずみ（バーε）の分布模様（等相当ひずみ
線）にて、この相当ひずみに対し、第１０式中もしくは
図１３のグラフ中の圧縮ひずみεと対応させて連動させ
ることにより、等相当ひずみ線が等接合強度線に置き換
わることになる。これによって、リード１，バンプ２の
接合部内の詳細は接合強度分布を得たことになる。

【００４２】このように本評価システムとその手順を用
いれば、力学的、構造的に理想化された評価手法による
結果としての指標と、より実際的な接合部における複雑
な力学的状態とを結びつけて、従来平均強度としてしか
得られなかった接合強度を接合部内の詳細な接合強度分
布として得られる。同時に半導体材料の機械的性質を得
ることもできる。そして、これらの成果は、半導体装置
の圧着技術において、より定量的かつ具体的な設計指針
を与え、実製品を用いて行う試作評価の過程を最少限に
おさえることができるようになる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、上
記構成を有しているので、従来の半導体装置の接合部の
接合強度評価手法では得られなかった接合部内の詳細な
強度分布が得られ、実製品またはそれに近い形態の試作
品を用いた多数の製造プロセスを経た後のサンプルを用
いたテンションゲージによる評価を極力少なくすること
ができる上、半導体装置の圧着技術においてより定量的
かつ具体的な設計指針を与えることができて、実用的な
評価システムとして具現化できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例のシステム構成を示す図
である。

【図２】本発明の第２の実施例のシステム構成を示す図
である。

【図３】テンションゲージによる従来の引張り試験を示
す図である。

【図４】界面強度試験法を示す図である。

【図５】力学的評価を示す図である。

【図６】従来の引張り試験のフローを示す図である。

【図７】本発明の評価システムを用いた半導体材料の応
力−ひずみ曲線を算出するフローを示す図である。

【図８】本発明の評価システムを用いた接合強度分布を
算出するフローを示す図である。

【図９】形成膜なしのサンプルの応力−ひずみ曲線を示
す図である。

【図１０】形成膜付きのサンプンルの応力−ひずみ曲線
を示す図である。

【図１１】形成膜の応力−ひずみ曲線を示す図である。

【図１２】接合強度の算出を示す図である。

【図１３】リードとバンプとの圧着を示す図であり、圧
着の前と後のリードとバンプの模式図および接合強度の
各パラメータ間の相関図である。

【符号の説明】

１ フィルムキャリアテープリード ２ バンプ ３ 半導体素子 ４ フック ５ テンションゲージ １ａ ポリイミドテープ １ｂ 接着層 １１ シリンダ １２ ピストン ２１ 変位計 ２２ ロードセル ３１ 形成膜付サンプル ３１′ 形成膜なしサンプル ３２ 接合端面 ３３ 形成膜 ３３′ 圧縮後の形成膜 ４１ 回転式チャック ４２ 電熱線ヒータ ４３ 温調計 ４４ 受け台 ４５ 防振台 ５１ａ プレス側エア配管 ５１ｂ 引張り側エア配管 ５２ａ プレス側直動弁 ５２ｂ 引張り側直動弁 ５３ａ プレス側ゲージ ５３ｂ 引張り側ゲージ ５４ａ プレス側電空レギュレータ ５４ｂ 引張り側電空レギュレータ ５５ プレス制御コントローラ ６１ アンプ ６２ 計装計 ７１ コンピュータ ７２ フロッピディスク装置 ７３ プロッタ ８１ ひずみ解析システムとひずみ解析の結果 ８２ プレス動特性生成プログラム ９１ 接合強度分布・応力−ひずみ曲線算出プログラ
ム １０１ ラック １０２ ピニオン １０３ パルスモータ １０４ ピストン ２０１ レゾルバ ２０２ 加減速回路 ２０３ Ａ／Ｄ変換器 ２０４ コンパレータ ２０５ 可変周波数パルス発振器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フィルムキャリアテープのリード先端部
   又は、半導体素子上に設けられた外部引き出し用電極パ
   ッド上のいずれか一方に突起型電極を有する半導体装置
   に熱圧着プロセスにてボンディングを行う半導体装置の
   接合部の接合強度を評価するシステムにおいて、 単軸圧縮ならびに単軸引張りが行える往復運動が可能な
   シリンダ・ピストン機構か前記運動の速度制御が可能な
   サーボ機構等が備えられたラック・ピニオン機構又は送
   りねじ機構等で構成された動力伝達部を有するプレス機
   構部と、 前記プレス機構部の駆動動力の大きさやプレス時及び引
   張り時のスピード制御するプレス制御部と、 金属等の円柱状の中実丸棒の一端面に半導体材料として
   使われるメッキ材や薄膜材をそれぞれメッキ法やスパッ
   タリング、蒸着法等で同材料による薄膜を一定の厚みで
   形成したものを少なくとも２本１組以上と、 前記プレス機構部に該中実丸棒の一端をその互いに中心
   軸を一致させて前記丸棒の前記端面が相対して突き合わ
   されるように固定する固定装置部と、 前記丸棒のメッキ膜が形成された端面が互いに突き合わ
   されている部分の周囲に電熱線ヒータ等ならびに温調計
   によってその周囲部を所要の温度に加熱、保温する脱着
   可能なヒータ部と、 前記プレス機構部に備えられたプレス荷重及び引張り荷
   重を計測するロードセル並びにプレス及び引張り時の変
   位を計測する変位計等で構成されたセンサ部と、 前記センサ部より出力されるプレス時並びに引張り時の
   過度現象を記録する計装系部と、 前記過度現象のデータを計算処理し、プレス時にはロー
   ドセルからの出力であるところの二重−時間曲線と変位
   計からの出力である変位−時間曲線とから前記中実丸棒
   の端面に形成されためっき膜等の半導体材料の変形特性
   を示すプレス時の温度並びにひずみ速度下の応力−ひず
   み曲線を算出し又、プレス後の前記中実丸棒の端面が接
   合され一体化された後に行なわれる引張り時には、ロー
   ドセルの出力から室温かつ低ひずみ速度下での最終破断
   強度を算出しこの最終破断強度をプレス時の温度及びひ
   ずみ、ひずみ速度で対応させ定式化し、フロッピィディ
   スク装置等の周辺装置に同データを保存し、任意に同結
   果をグラフィック表示させる一連の手段と、 有限要素法やモデル材料プラスティシン等を用いた物理
   シミュレーション法等の変形過程におけるメタルフロー
   （Ｍｅｔａｌ ｆｌｏｗ）の様相を可視化し、ひずみ解
   析が行える解析システムによって別途得られた半導体装
   置の接合部内あるいはモデル材料による接合部モデル内
   の詳細なひずみ分布、ひずみ速度分布、温度分布の結果
   と前記周辺装置に保存されたデータとをひずみ、ひずみ
   速度及び温度のパラメータで連動させて該半導体装置の
   接合部の接合強度分布を定量的に示し得る一連の手段と
   が組み込まれた中央処理装置部とを備えることを特徴と
   する半導体装置の接合強度評価システム。