JP4048012B2 - ダイボンダ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リードフレーム上に半導体ペレットをマウントするダイボンダに係り、中でも、半田で半導体ペレットをリードフレームに接合するダイボンダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ペレット（以降ペレットと呼ぶ）をリードフレームの所定位置（ランド部）にマウントする場合の接合材には、半田や銀ペースト或いは樹脂等がある。その中の半田による接合においては、これまで以下の方法が一般的にとられていた。ペレットをマウントする前に、ダイボンダのレール上を搬送される短冊状のリードフレームのランド部に、半田をまず一定量供給する。次に、供給された半田を、ペレットの大きさに合わせて引き伸ばす。
【０００３】
なお、この半田供給から引き伸ばしにかけては、リードフレームが載ったレールはヒーターを内蔵したヒーターレールとなっていて、半田は溶融した半凝固状態である。
【０００４】
その半田がリードフレームのランド部に供給される様子を、図５を用いて説明する。図５は一部を断面で表わす側面図であり、リードフレーム１は紙面垂直方向に定ピッチ送りで搬送される。
【０００５】
まず、主な構成を説明する。ワイヤー状の半田２は、半田供給ノズル３の内部を通って下方へ送り出される。また半田供給ノズル３自身は上下動可能となっている。レール４は、ヒータートンネル５に密着され、加熱されている。また、図示はしないが、ここではリードフレーム１の両端部がレール４に押付けられて、加熱し易いようになっている。また、上部全体がヒータートンネル５の中にあって、レール４にはガス吹き出し口７が設けられ、ヒータートンネル５内部は、概ね吹き出されたガスで置換されている。
【０００６】
半田２がリードフレーム１に供給される過程を、図５（ａ）〜（ｃ）に示す。
（ａ）半田供給ノズル３はリードフレーム１の上方で待機している。
（ｂ）定ピッチ送りされたリードフレーム１が停止すると、半田供給ノズル３は下降して下端で停止する。その後半田２を送り出す。送り出された半田２は、リードフレーム１に接触すると容易に溶けて、リードフレーム１の上面に広がる。送り出すスピードおよび時間にて、リードフレーム１の上に溶かす半田２の量が決められる。
（ｃ）その後半田２の送り出しを止めるとともに、半田供給ノズル３は上昇し、元の待機位置に戻る。
【０００７】
次に、リードフレーム１の上に供給された半田２を所定の大きさに引き伸ばす。これには図６に示す方法がよく用いられる。
これは、半田供給の後のポジションで、半田２を押しつぶし広げるものである。（ａ）〜（ｃ）を用いてその様子を説明する。
（ａ）上下動する半田成型ヘッド８がリードフレーム１の上方で待機している。
（ｂ）定ピッチ送りされたリードフレーム１が停止すると、半田成型ヘッド８が下降して、その先端にある成型凹部９で半田２を押しつぶす。この時、半田２は半凝固状態であり、また半田成型ヘッド８は半田２が付かない程度に昇温されており、半田２は成型凹部９の形状に習って広がる。
（ｃ）その後、半田成型ヘッド８は上昇し、元の待機位置に戻る。
【０００８】
その後リードフレーム１はペレットマウント位置に搬送され、ランド部に供給された半田２の上にペレットが載置され、ペレットが半田２で接合される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたようにして、ペレットがリードフレームに半田で接合される訳であるが、そこには以下の問題があった。
それはペレットがマウントされた後の半田層の中に、大きな気泡（以下ボイドと表現）が発生することであった。その状態を図７に示す。これは、ペレットマウント後のＸ線写真像（非破壊試験）をイメージしたものである。小さなボイド１２に混じって、大きなボイド１２ａが２個存在している。
【００１０】
このような大きなボイドの存在は、次の不具合につながった。まず、接合面積が少なくなるために、単純に接合強度が低下し、引っ張り試験で容易にペレットが剥がれてしまった。
【００１１】
また、ペレットが接合された後の、半田の大きな役割の一つに、次の事柄があった。ペレットとリードフレームは熱膨張率が異なるため、最終製品（ＩＣやＬＳＩ）となって実際の電気回路で使用されるとき、ペレットの昇温に伴って両者に熱歪みを生じ、ペレットが剥離し易くなる。このとき、半田層が緩衝材となって、その剥離を防止してくれるというものである。
ところが、図７に示すように大きなボイド１２ａが存在すると、その効果が薄れてしまい、実使用状態や製造後の熱衝撃試験などで、ペレットが容易に剥離してしまった。
【００１２】
ところで、ボイドの発生の原因は、次のように考えられていた。
それを、図５に戻って説明をする。半田２が供給されるポジションでは、Ｎ２やＨ２などのガスでヒータートンネル５内を置換している。これは、リードフレーム１や半田２の酸化防止が主目的である。ところがヒータートンネル５は密閉されてはおらず（実質的に不可能）、空気中の酸素が、通常より低い濃度ながら存在する状態にある。
ここで、半田２を供給する前の状態、図５（ａ）においては、リードフレーム１が３００℃を超える温度に昇温されており、それに伴って半田供給ノズル３の先端に覗いた半田２も２００℃〜２５０℃に昇温している。従って、半田２の表面層は、どうしても酸化してしまい、酸化膜を生じる結果となる。
そこで、図５（ｂ）〜（ｃ）のように半田２をリードフレーム１に供給すると、半田２の表面には酸化膜が大きく集中して残ってしまう。そして、成型後その上にペレットをマウントしても、酸化膜がある部分は濡れ性が悪く、ペレットの接合面との合金層ができ難いため、その部分がボイドとなってしまう。
【００１３】
勿論、大きなボイドを有する製品は不良品であって、出荷する訳にはいかず、出荷前に除去しなければならない。ところが、例え抜取り検査ではあっても、非破壊検査は大変手間がかかるもので、大きな工数を費やさなければならなかった。また、現状の装置では、上記したように、半田の酸化膜の集中をうまく抑えることができず、この問題の解決が望まれていた。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、上述した問題点を解決するために提案されたダイボンダである。
その手段は、まず、半田供給ノズルとリードフレームとの間に半田溶融アームが配置され、半田供給ノズルから供給された半田は一旦半田溶融アームで溶融した後、リードフレームに移る構成となっている。
また、その半田溶融アームは板状で、先端が下方に傾斜しており、素材はステンレスあるいはアルミニウムで、表面に耐熱及び滑り性を向上させたコーティング処理を施している。そのため半田は半田溶融アームにこびりつくことはない。
それに、半田溶融アームの先端は、リードフレームのランド部の中心を通る鉛直線と、接することも交わることもない位置関係にある。そのため、半田は、半田溶融アームを経由して、ランド部の中心付近に供給される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下添付図面にしたがって、本発明に係るダイボンダの好ましい形態について詳説する。なお、従来例と同じ構成部品については、従来例と同符号を用いる。図１は、本発明のダイボンダの、半田をリードフレームに供給する部分を斜視図で描いたものである。また、図２はその側面図であり、図３も側面図であるが、（ａ）〜（ｄ）に分けて半田がリードフレームに供給される様子を拡大して描いている。
【００１６】
まず、図１と図２を用いて構成を説明する。なお、レール４やそれに設けられたガス吹き出し口７、それにヒータートンネル５は従来例と同様なので、ここでは、それらについての説明は省略する。また、図１では内部の構造を見易くするために、ヒータートンネルは描いていない。
内部を通して、ワイヤー状の半田２を下方へ送り出すことができる半田供給ノズル３ａに対して、半田溶融アーム１５が、アーム取付け板１６を介して、ボルト１７で固定されている。なお、半田供給ノズル３ａは上下動が可能である。
【００１７】
半田溶融アーム１５は、大半が板状で、その先端は斜面となっている。半田２が下方に送り出されたとき、半田２は半田溶融アーム１５先端の斜面部に当接する位置関係にある。同時に、半田溶融アーム１５は素材がステンレスで、その表面には特殊コーティング（発明者による実験では、ＴｉＡｌＮコーティングを採用）が施されている。このコーティングは、アルミ合金を含む加工金型の表面処理に主に用いられており、耐摩耗性・耐熱性それに摺動性を向上させる効果を発揮するものである。また、鉛直方向に立ち下がった部分の大きさは、厚みが１ｍｍ程度また幅が８ｍｍ程度であり、先端の斜面部は、厚み・幅ともに、より薄くまた狭くなっている。そのため熱容量が小さく、容易に昇温可能となっている。
【００１８】
図１は、リードフレーム１が所定の位置に搬送されて、半田供給ノズル３ａが今から半田２を供給しようと、下降を開始するところである。
引き続いて、図３を用いて、半田２がリードフレーム１に供給される様子を説明する。
（ａ）半田供給ノズル３ａは上方で待機している。半田２は半田供給ノズル３ａから少し覗いているが、半田溶融アーム１５先端に当接してはいない。
（ｂ）半田供給ノズル３ａが下降し、所定の下端位置で停止する。この時、半田溶融アーム１５の先端は、リードフレーム１の僅か上方にあり、両者の間隔は０．１ｍｍ程度の位置関係にある。いまリードフレーム１は、前にも述べたように３００℃を超える温度となっているため、その表面に近接した、熱容量の小さい半田溶融アーム１５の先端も容易に３００℃付近まで昇温する。
（ｃ）半田２が送り出される。すると、その半田２は半田溶融アーム１５の先端に当接し、容易に溶けだす。一旦そこで溶融した半田２は、半田溶融アーム１５の先端が斜面であり、なおかつその表面が特殊コーティングされているため、その後リードフレーム１の上に滑り落ちる。リードフレーム１に供給する半田２の量は、従来の方法と同じく、送り出すスピードとその時間とで調整する。
（ｄ）その後、半田供給ノズル３ａは、半田２の送り出しを止めるとともに上昇し、元の待機位置に戻る。
【００１９】
以上述べたように半田２がリードフレーム１の上に供給される過程では、半田２に以下のメカニズムが働く。（ａ）の状態では、従来と同様、半田２の表面層には酸化膜が生じている。ところが（ｂ）の過程で、半田溶融アーム１５の上で溶融した半田２がリードフレーム１に滑り落ちる（移動する）間に、酸化膜であった部分が攪拌される。そのために、リードフレーム１に載った時には、半田２の酸化膜は表面に集中することなく内部にも拡散される。
【００２０】
従って、その後成型された半田の上にペレットをマウントしても、半田層に大きなボイドが発生することはほとんどなくなる。その結果大半が、Ｘ線写真を見ても、図４に示すように、小さなボイド１２だけが発生する程度となる。発明者は、本発明のダイボンダを用いて、□４ｍｍのペレットを、Ｎｉメッキを施したリードフレームにマウントした結果、従来６％程度あったボイド発生の不良率を２％程度にまで抑えることができた。ここで、「ボイド発生の不良」とは、
ボイドの発生率＝（ボイドの総面積／ペレット面積）×１００（％）
で定義された発生率が、或る基準値以上になれば不良としたものである。当然大きなボイドがあれば、ボイドの発生率が高くなり、不良率が上がることになり、「ボイドの発生率」は「大きなボイドの発生率」と同等とみなすことができる。
【００２１】
また、半田溶融アームには特殊コーティングを施しているため、それに半田が付着することなく、長期の使用に十分に耐える。
【００２２】
次に、本発明のダイボンダを用いて、いかにして半田をランド部の中心付近に供給するか、ということについて説明する。図３を用いて、この説明をする。
図３（ａ）に示すように、鉛直方向にのびる、ランド部の中心線と半田の中心線とが一致せず、寸法ｄだけオフセットされている。こうしておけば、半田２をほぼランド部の中心付近に堆積させることができる。もし両者が一致していれば、図３（ｃ）で半田２が半田溶融アーム１５の斜面を滑り落ちた時、半田２はランド部の片側（図３では、右側）に偏って堆積してしまう。
オフセットの量はペレットの大きさ及び半田の供給量によって設定すれば良いが、□４ｍｍのペレットをマウントする場合、発明者は０．５ｍｍ程度のオフセットを採って、良好な結果が得られた。
【００２３】
本実施例では、半田溶融アーム１５の素材をステンレスとして、その表面に特殊コーティングを施したが、より熱伝導率の高いアルミニウムを素材にして、その表面を滑り性・耐熱性の高い硬質アルマイト処理しても構わない。
【００２４】
それに、本実施例では、半田溶融アームを半田供給ノズルに固定して、半田供給ノズルの上下動に伴って半田溶融アームも上下動するようにしているが、半田溶融アームをリードフレームのランド部の上方適当な位置に固定しておいても同様の効果が得られる。
【００２５】
最後に補足すると、本発明のダイボンダの場合、一旦半田溶融アームの上で半田を溶かした後、その半田をリードフレームの上に供給する訳だが、それによりマシンインデックスが低下することは全くない。それは、ダイボンダであれば、半田成型作業が通常最も長い作業であり、それに比較すると、半田を供給する作業時間はその数分の一で済むからである。逆に、本実施例では、半田供給ノズルは上下動するだけで、リードフレームの１個所のランド部に半田を供給するものであったが、この半田供給ノズルをＸ・Ｙテーブルに組み付ければ、リードフレームの停止中に、複数箇所のランド部に半田を供給することも可能となる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のダイボンダであれば、送り出された半田を一旦半田溶融アームの上で溶融させた後、リードフレームに滑り落としている。そのため、半田表面の酸化膜がうまく攪拌されて、ペレットをマウントした後も半田層に大きなボイドが発生することなく、ＩＣやＬＳＩの不良率を低減させるとともに、その信頼性を向上させることができる。
【００２７】
半田溶融アームは、既存のスタイルの半田供給ノズルにも簡単に取りつけることができ、その改造費は極くわずかで済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のダイボンダの斜視図
【図２】 本発明のダイボンダの側面図（一部断面図）
【図３】 本発明のダイボンダを用いて、半田がリードフレームに供給される様子を示す側面図
【図４】 本発明のダイボンダを用いた半田層のボイドの様子を示す平面図
【図５】 従来のダイボンダを用いて、半田がリードフレームに供給される様子を示す側面図
【図６】 供給された半田が押しつぶされる様子を示す側面図（一部断面図）
【図７】 大きなボイドがある半田層を示す平面図
【符号の説明】
１ リードフレーム
２ 半田
３，３ａ 半田供給ノズル
４ レール
５ ヒータートンネル
７ ガス吹き出し口
１２ 小さなボイド
１５ 半田溶融アーム
１６ アーム取付け板
１７ ボルト

Claims (4)

1. リードフレームに半導体ペレットを半田で接合するダイボンダにおいて、前記リードフレームの上方には半田を供給する半田供給ノズルを有し、前記半田供給ノズルと前記リードフレームとの間には半田溶融アームが配され、前記半田供給ノズルから供給された半田は一旦前記半田溶融アームで溶融した後、前記リードフレームに移ることを特徴とするダイボンダ。
2. 前記半田溶融アームは板状で、先端が下方に傾斜していることを特徴とする請求項１記載のダイボンダ。
3. 前記半田溶融アームは、素材がステンレスあるいはアルミニウムで、表面に耐熱及び滑り性を向上させたコーティング処理を施したことを特徴とする請求項２記載のダイボンダ。
4. 前記半田溶融アームの先端は、半導体ペレットを接合する前記リードフレームのランド部の中心を通る鉛直線と、接することも交わることもない位置に配置されたことを特徴とする請求項３記載のダイボンダ。

Images