JP3522906B2 - 超音波接合方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本願発明は、超音波接合方法および装置に
関し、特に、リードフレームにおけるダイパッドとその
下面に配置される金属放熱板との間の好適な接合状態を
得ることができるように改良されたものに関する。

【０００２】

【従来技術】図１０に基づき、金属板どうしを超音波接
合法によって接合する場合について説明する。適当な支
持台１上に被接合部材２としての金属板２ａが載置さ
れ、その上面に、接合部材３としての金属板３ａが重ね
られる。符号４は、超音波ホーン５を介して超音波発生
源６に連結された押圧ツールを示しており、その下端面
４ａが上位の金属板３ａの上面に所定の圧力をもって接
触することができるようになっている。押圧ツール４を
上位の金属板３ａの上面に押圧接触させた状態で超音波
発生源６を駆動すると、上記押圧ツール４を介して、超
音波振動の水平方向成分が上位の金属板３ａに伝達され
る。押圧ツール４による押圧力を受ける両金属板２ａ，
３ａの界面に局部的な摩擦熱が発生し、この摩擦熱と押
圧ツールによる圧力との協働作用によって、両金属板２
ａ，３ａがその押圧界面に形成された接合部７によって
相互に接合される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の両金
属板２ａ，３ａは、超音波接合が進行していく過程にお
いて次のような挙動を示す。すなわち、超音波振動の印
加初期段階においては、被接合部材としての下位の金属
板３ａに対して接合部材としての上位の金属板２ａが相
対的に振動するが、時間が経過するにつれて、すなわち
印加された超音波振動エネルギの累積が増大するにつれ
て、被接合部材である下位の金属板３ａもまた振動を始
め、その振動は次第に大きくなるとともに、やがて上位
の金属板２ａの振動と同期したものとなる。最終的に２
枚の金属板が一体となる接合が次第に完成されてゆくか
らである。

【０００４】このように接合が完成されてもなお超音波
振動の印加を続けると、被接合部材３の形態によっては
種々の不具合が生じるし、逆に、接合が完成する以前に
超音波振動の印加を断つと、両部材間の接合が不十分と
なってしまう。

【０００５】たとえば、図１１に示されるように、半導
体装置の製造において、半導体チップ８とリード９との
間のワイヤボンディング、特にセカンドボンディングに
超音波接合法を併用する場合があり、この場合、キャピ
ラリ１０が超音波ホーン５を介して超音波発生源６に連
結される。この場合において、キャピラリ１０がワイヤ
１１をリード９に圧しつけた状態で超音波振動を印加す
ると、ワイヤ１１とリード９との間の接合が完成に近づ
くにつれて、リード９がキャピラリ１０の振動と同期し
て振動を開始する。この状態を放置すると、リードに与
えられた超音波振動がリードフレーム全体におよび、た
とえば微細化されたリードが破断するといったことも起
こり得る。

【０００６】このような被接合部材に生じうる不具合を
予測して超音波発生源の駆動時間を設定するといった制
御は非常に困難であり、むしろ、接合不良を回避するた
めに、本来必要な量を超える超音波振動エネルギを印加
しようとする傾向にある。

【０００７】本願発明は、このような事情のもとで考え
出されたものであって、特に、リードフレームのダイパ
ッドとその下面に配置される金属放熱板とを超音波接合
法によって接合する場合において、接合の完成時点以降
にわたって金属放熱板がダイパッドと同期して振動をす
ることによる不都合を解消して、二部材の適正な接合状
態を得ることができるようにすることをその課題として
いる。

【０００８】

【発明の開示】上記の課題を解決するため、本願発明で
は、次の技術的手段を採用した。

【０００９】本願発明の第１の側面によれば、新たな超
音波接合方法が提供され、この方法は、超音波発生源に
連結されたツールによって、リードフレームにおけるダ
イパッドを金属放熱板に圧しつけた状態で、上記ツール
を介して上記ダイパッドに超音波振動を与えることによ
る超音波接合方法であって、上記金属放熱板ないしその
支持部材の振動状態にしたがって、上記超音波発生源に
よる超音波振動を停止しまたは低減することに特徴づけ
られる。

【００１０】

【００１１】

【００１２】本願発明方法によれば、金属放熱板の振動
状態を直接的に検出して超音波発生源の駆動制御にフィ
ードバックしている。より具体的には、超音波接合が進
行するにしたがって、金属放熱板がダイパッドに同期し
て振動を始めるが、この状態を直接的に検出して、必要
以上の超音波振動エネルギが印加されることがないよう
にしている。また、金属放熱板の振動状態を検出するこ
とによって、適正な接合状態が得られたかどうかをも判
断することができる。したがって、常に金属放熱板に不
具合を生じさせることなく、適正な接合状態を得ること
ができる。

【００１３】

【００１４】本願発明の第２の側面によれば、新たな超
音波接合装置が提供され、この装置は、制御手段によっ
て制御駆動される超音波発生源と、この超音波発生源に
連結されており、かつ、リードフレームにおけるダイパ
ッドを金属放熱板に対して押圧することができる押圧ツ
ールと、上記金属放熱板またはその支持部材の振動状態
を検出する振動センサと、を備えており、上記制御手段
は、上記振動センサによって検出される上記金属放熱板
またはその支持部材の振動状態にしたがって、上記超音
波振動源を制御するように構成されている。

【００１５】この制御は、具体的には、上記振動センサ
によって検出される上記金属放熱板またはその支持部材
の振動が所定の状態に達したときに、上記超音波発生源
による超音波振動を停止しまたは低減するというもので
ある。

【００１６】この超音波接合装置を用いた超音波接合に
おいても、前述したのと同様の利点が得られることは明
らかである。

【００１７】なお、金属放熱板の振動状態を検出するた
めの振動センサとしては、高周波振動を検出することが
できる接触型の圧力センサを用いることもできるし、振
動体に向けて発した電磁波または音波の反射に見られる
ドップラー現象を解析して振動状態を検出する非接触型
のものなどを採用することもできる。

【００１８】本願発明のその他の特徴および利点は、添
付図面を参照して以下に行う詳細な説明により、より明
らかとなろう。

【００１９】

【好ましい実施の形態】図１は、本願発明方法を実施す
るための装置の概略図である。適当な支持台１の上面に
は、被接合部材２である第１の金属板２ａが載置され、
これに重ねるようにして、接合部材３である第２の金属
板３ａが重ねられている。符号４は押圧ツールを示して
おり、図１に示すように下端が上記第２の金属板３ａの
表面に所定圧力をもって接触する状態と、上方に離間す
る状態が選択できるようになっている。この押圧ツール
４はまた、超音波ホーン５を介して超音波発生源６が接
続されている。この超音波発生源６は、制御手段１２に
よって駆動制御される。

【００２０】一方、被接合部材２としての第１の金属板
２ａの振動状態を検出するための振動センサ１３が配置
される。この振動センサ１３は、図１に実線で示すよう
に第１の金属板２ａの適部に接触する状態と、仮想線で
示すように第１の金属板２ａから離間する状態とを選択
できるように、図示しない支持部材に取付けられてい
る。

【００２１】超音波発生源６を駆動すると、その水平方
向成分によって押圧ツール４が水平方向に振動する。こ
の振動の振幅はたとえば２０μｍ程度とすることができ
る。超音波振動の印加開始状態においては、押圧ツール
４によって押さえられた第２の金属板３ａのみが第１の
金属板２ａに対して相対的に振動する。押圧ツール４に
よって所定の圧力が加えられているので、この圧力の影
響がおよぶ両金属板２ａ，３ａの界面において、上記相
対的な振動に起因する摩擦熱が局部的に発生する。こう
して発生させられる熱と、押圧ツール４による圧力とが
協働して、両金属板２ａ，３ａの接合を進行させる。接
合が進行すると、下位の第１の金属板２ａもまた、上位
の第２の金属板３ａと同期して振動を始める。両金属板
２ａ，３ａの接合が完成する時点においては、この第１
の金属板２ａの振動状態は、第２の金属板３ａの振動状
態と同期したものとなる。すなわち、被接合部材２とし
ての第１の金属板２ａに上位の第２の金属板３ａを介し
て与えられる超音波による単位時間当たりの運動エネル
ギは、図２に示すように、時間の経過とともに増大し、
一定値に近づく。このような第１の金属板２ａの運動エ
ネルギの変化は、振動センサ１３による検出信号を処理
することにより判明する。

【００２２】たとえば、図２のグラフ中、符号Ａで示さ
れる範囲においては、両金属板間の接合が十分に行われ
ていると考えられる。したがって、図２に符号Ａで示さ
れる範囲、すなわち、第１の金属板２ａの運動エネルギ
が漸近値に近づいたある時点において、制御手段１２が
超音波発生源６の超音波振動を停止または低減させる。
図２に符号Ａで示される領域に至ってもなお、超音波振
動の印加を継続すると、被接合部材２の状態いかんで
は、これに悪影響をおよぼすことがあるが、本願発明方
法によれば、かかる被接合部材への悪影響を未然に回避
することができる。

【００２３】なお、図１に符号１３で示した振動センサ
は、高周波振動を検知しうる接触型の圧力センサ、ある
いは振動体からの音または電磁波の反射にみられるドッ
プラー現象を解析して非接触的に振動体の振動状態を検
知できるものを採用することができる。

【００２４】本願の超音波接合方法あるいは超音波接合
装置は、以下に説明するように、リードフレーム３０を
用いた半導体装置の製造過程において、好適に応用する
ことができる。

【００２５】図３は、放熱用金属板２１がパッケージ２
２内に組み込まれたクワット型半導体装置２０の構造を
示している。エポキシ樹脂等で形成された、平面視矩形
状を呈する樹脂パッケージ２２の内部には、ダイパッド
２３上にボンディングされた半導体チップ２４、上記ダ
イパッド２３の下面中央部において接合され、かつ所定
の平面形状を有する金属放熱板２１などが組み込まれて
いる。上記ダイパッド２３は、平面視矩形状をしてお
り、その四隅部から、樹脂パッケージ２２に残存する吊
りリード２５が延びている。

【００２６】ダイパッド２３と金属放熱板２１との接合
は、後述するように、本願発明にかかる超音波接合法に
よって行うことができる。

【００２７】上記ダイパッド２３ないしこれに搭載され
る半導体チップ２４の四周に、一定の隙間を介して内端
部が配置されている複数本の内部リード２６は、水平方
向外方に延ばされ、それぞれ、樹脂パッケージ２２の四
周側面から突出する外部リード２７に連続させられてい
る。

【００２８】半導体チップ２４の上面のボンディングパ
ッドと、各内部リード２６との先端部上面との間は、ワ
イヤボンディング１１によって結線されている。このワ
イヤボンディング、特に一端を半導体チップ２４の上面
パッドに接続したワイヤ１１の他端部を内部リード２６
の上面にボンディングする、いわゆるセカンドボンディ
ングにもまた、本願発明の超音波接合法を好適に応用す
ることができる。

【００２９】図３に示したクワッド型の半導体装置２０
は、図４に示すようなリードフレーム３０を使用して製
造される。幅方向両側のサイドフレーム部３１，３１お
よび長手方向に等間隔をあけてサイドフレーム部間を掛
け渡すように形成されるクロスフレーム３２，３２によ
って囲まれる矩形領域３３内に半導体装置２０の構成部
分となるべきリード２６，２７あるいはダイパッド２３
等が打ち抜き形成されている。四辺形枠状のタイバー３
４がその四隅部が支持リード３５によってサイドフレー
ム３１およびクロスフレーム３２に連結されるようにし
て形成されている。この四辺形枠状タイバー３４の四隅
部から内方に延びる４本の吊りリード２５によって、矩
形状のダイパッド２３が支持されている。隣合う吊りリ
ード２５，２５で区画される上記四辺形枠状タイバー３
４内の各台形領域には、タイバー３４に基端が連結さ
れ、かつダイパッド２３の一辺に向けて延びる複数本の
内部リード２６が形成されている。タイバー３４の外側
には、各内部リード２６に連続して延びる複数本の外部
リード２７が形成されている。各外部リード２７の外端
部は、支持リード３６を介して、サイドフレーム３１ま
たはクロスフレーム３２に連結されている。上記リード
フレーム３０のダイパッド２３の下面には、金属放熱板
２１が接合される。この接合方法には、本願発明の超音
波接合法が適用される。

【００３０】すなわち、図５に示すように、支持台１上
に載置した金属放熱板２１の上面にリードフレーム３０
のダイパッド２３を重ね、超音波ホーン５に接続された
押圧ツール４をダイパッド２３の上面中央部に圧しつ
け、押圧ツール４の超音波振動を供給する。押圧ツール
４からたとえば、２０μｍ程度の振幅の水平方向成分を
有する超音波振動がダイパッド２３に与えられ、金属放
熱板２１との間の接触界面に生じる摩擦熱および上記押
圧ツール４による押圧力により、上記ダイパッド２３と
金属放熱板２１とは限定された領域の接合部７をもって
相互に接合される。

【００３１】この場合、金属放熱板２１の振動状態が振
動センサ１３によって検出され、この金属放熱板２１の
振動状態が所定の状態となったとき、すなわち、前述し
たように、金属放熱板２１の運動エネルギが図２に示し
たグラフの符号Ａで示す領域に達した時点で、制御手段
１２が超音波発生源６の駆動を停止または低減する。

【００３２】次に、図６および図７に示すように、上記
ダイパッド２３の上面に、半導体チップ２４がボンディ
ングされ、次いで、半導体チップ２４の上面のボンディ
ングパッドと、これに対応する内部リード２６の先端部
上面間が、ワイヤボンディング１１によって結線され
る。この場合、特に一端が半導体チップ２４の上面に接
続されたワイヤ１１の他端部をキャピラリ１０によって
内部リード２６の上面に圧しつけて接続するセカンドボ
ンディングには、本願発明方法を好適に応用することが
できる。

【００３３】すなわち、図８に示すように、キャピラリ
１０には超音波ホーン５を介して超音波発生源６が連結
され、一方、リードフレーム３０の適部の振動状態を検
出する振動センサ１３からの信号が制御手段１２に入力
され、リードフレーム３０の振動状態が所定の状態とな
った時点で制御手段１２が超音波発生源６の駆動を停止
するのである。

【００３４】かかるワイヤボンディングは、リードフレ
ーム３０全体をヒートブロック３７上に載置し、リード
フレームを加熱した状態で行われる。図に示す例におい
て、キャピラリ１０がワイヤ１１を内部リード２６の先
端部上面に圧しつけると、内部リード２６は弾性変形し
て金属放熱板２１の上面周縁部に圧しつけられる。金属
放熱板２１はヒートブロックに接触しているから、ヒー
トブロック３７からの熱が内部リード２６に伝達され、
この熱と、超音波発生源６からキャピラリ１０を介して
与えられる超音波振動エネルギによってワイヤ１１の他
端部が内部リード２６の上面に接続される。この場合に
おいても、超音波振動に起因するワイヤ１１と内部リー
ド２６との接合が進行するにしたがって、内部リード２
６もまたワイヤ１１ないしキャピラリ１０の超音波振動
と同期した振動を始める。内部リード２６のこうした振
動は、リードフレーム３０全体に影響を与える。したが
って、リードフレーム３０の適部の振動状態を検出する
ことにより、内部リード２６の振動状態を実質的に知る
ことができるのであり、この場合にも、前述したのと同
様、リードフレーム３０の振動状態から推測される内部
リード２６の振動エネルギが図２に示したグラフの符号
Ａで示される範囲に到達した時点で、制御手段１２が超
音波発生源６の駆動を停止または低減するようにするの
である。

【００３５】このようにすることにより、セカンドボン
ディングが適正確実に行われるのみならず、過剰に与え
る過剰な振動エネルギによって内部リード２６ないしリ
ードフレーム３０が破損するといった事態を効果的に回
避することができる。このようなセカンドボンディング
が終わってキャピラリ１０が上方に退動すると、各内部
リード２６はその弾性復元力により金属放熱板２１の上
面から離間した自然状態に復帰する。

【００３６】次に、図９に示すように、半導体チップ２
４、ワイヤボンディング部１１を包み込むようにして、
エポキシ等の熱硬化性樹脂を用いたトランファモールド
法によって樹脂パッケージ２２が形成される。

【００３７】その後、リードフレーム３０に対するハン
ダメッキ、樹脂パッケージ２２に対する標印、タイバー
カット、リードカット、リードフォーミング等の工程を
経て、図３に示した単位半導体装置が得られる。

【００３８】本願発明は、図に示し、かつ上述した形態
に限定されるものではない。本願発明の超音波接合方法
は、要するに、被接合部材としての金属放熱板の運動エ
ネルギの変化をリアルタイムで直接検出しつつ、これを
超音波発生源の停止条件としてフィードバックしようと
するものである。特許請求の範囲に記載された発明概念
内でのあらゆる変更は、全て本願発明の範囲に包摂され
るのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明方法を実施するための装置の概略図で
ある。

【図２】超音波接合時、被接合部材に伝達される振動エ
ネルギの変化を示すグラフである。

【図３】本願発明方法で接合された樹脂半導体装置の一
例を示す断面図である。

【図４】図３に示される樹脂パッケージ型半導体装置を
製造するのに用いられるリードフレームの一例の部分断
面図であり、ダイパッドの下面に金属放熱板を接合した
状態を示している。

【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図であり、本願発明方法に
よりダイパッド下面に金属放熱板を接合している様子を
示す断面図である。

【図６】図３に示される樹脂パッケージ型半導体装置を
製造するのに用いられるリードフレームの一例の部分断
面図であり、半導体チップの上面のボンディング用パッ
ドと各内部リードの先端部上面との間をワイヤボンディ
ングにより結線した状態を示している。

【図７】図６のVII −VII 線に沿う断面図である。

【図８】本願発明方法により半導体チップの上面と内部
リードとの間をワイヤボンディングしている様子を示す
側面断面図である。

【図９】図７に示すリードフレームに樹脂パッケージを
形成している様子を示す側面断面図である。

【図１０】従来の接合方法を示す断面図である。

【図１１】従来の接合方法を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 支持台 ２ 被接合部材 ３ 接合部材 ４ 押圧ツール ５ 超音波ホーン ６ 超音波発生源 ７ 接合部 ８ 半導体チップ ９ リード １０ キャピラリ １１ ワイヤ １２ 制御手段 １３ 振動センサ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波発生源に連結されたツールによっ
   て、リードフレームにおけるダイパッドを金属放熱板に
   圧しつけた状態で、上記ツールを介して上記ダイパッド
   に超音波振動を与えることによる超音波接合方法であっ
   て、 上記金属放熱板ないしその支持部材の振動状態にしたが
   って、上記超音波発生源による超音波振動を停止しまた
   は低減することを特徴とする、超音波接合方法。
2. 【請求項２】 制御手段によって制御駆動される超音波
   発生源と、 この超音波発生源に連結されており、かつ、リードフレ
   ームにおけるダイパッドを金属放熱板に対して押圧する
   ことができる押圧ツールと、上記金属放熱板 またはその支持部材の振動状態を検出す
   る振動センサと、 を備えており、 上記制御手段は、上記振動センサによって検出される上
   記金属放熱板またはその支持部材の振動状態にしたがっ
   て、上記超音波振動源を制御するように構成されている
   ことを特徴とする、超音波接合装置。
3. 【請求項３】 上記制御手段は、上記振動センサによっ
   て検出される上記金属放熱板またはその支持部材の振動
   が所定の状態に達したときに上記超音波発生源による超
   音波振動を停止しまたは低減するようになっている、請
   求項２に記載の超音波接合装置。