JP4374040B2 - 半導体製造装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体製造装置に関し、特に半導体チップや外部接続端子であるリードに対して導電性のストラップを超音波接合させる際に用いる半導体製造装置に関する。
近年、特にパワー用途の半導体チップにおいて、低抵抗化のため、チップと外部リードとの接続構造として、ワイヤボンディングではなく、アルミニウムや銅などの板状または帯状のストラップを用いた構造が提案され、例えば特許文献１には、超音波振動を用いて半導体チップやリードに対してストラップを接合させることが開示されている。
ここで、高さの異なる（段差のある）２箇所の接合箇所に対して同時に超音波振動を与えて接合させる場合には、接合箇所の段差に合わせて段差が設けられた２つの振動印加部をそれぞれ２箇所の接合箇所に対して同時に押圧させて振動を与える必要がある。しかし、このような構成の場合、２つの振動印加部の配置関係によっては、一方の振動印加部と超音波振動発生源との距離と、他方の振動印加部と超音波振動発生源との距離とに大きな差が生じる場合がある。これら差が大きくなると、２つの振動印加部における超音波振動の縦振動強さに大きな差が生じ、結果として２箇所の接合箇所の接合性が大きくばらつくことになる。
特開２００２−３１３８５１号公報
本発明は、異なる高さに位置する２箇所の接合箇所に同時に超音波振動を与えてそれら２箇所の接合箇所の接合を同時に行うにあたって２箇所の接合箇所における接合性のばらつきを抑えることができる半導体製造装置を提供する。
本発明の一態様によれば、異なる高さに位置する２箇所の接合箇所に同時に超音波振動を与えて前記２箇所の接合箇所の接合を同時に行う半導体製造装置であって、円柱体と、前記円柱体の外周面に設けられ、前記円柱体を介して超音波振動が伝播される第１の突出部と、前記第１の突出部とは異なる突出量で前記円柱体の外周面に設けられ、前記円柱体を介して超音波振動が伝播される第２の突出部とを備え、前記円柱体の軸心と前記第１の突出部の先端との距離と、前記円柱体の軸心と前記第２の突出部の先端との距離とが略同じであることを特徴とする半導体製造装置が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、異なる高さに位置する２箇所の接合箇所に同時に超音波振動を与えて前記２箇所の接合箇所の接合を同時に行う半導体製造装置であって、円柱体と、前記円柱体の外周面に設けられ、前記円柱体を介して超音波振動が伝播される第１の突出部と、前記第１の突出部とは異なる突出量で前記円柱体の外周面に設けられ、前記円柱体を介して超音波振動が伝播される第２の突出部とを備え、前記円柱体の軸心と前記第１の突出部の先端との距離と、前記円柱体の軸心と前記第２の突出部の先端との距離とが略同じである状態を基準設定として、前記２箇所の接合箇所の接合条件に応じて、前記円柱体の軸心に対する前記第１の突出部の先端と前記第２の突出部の先端との距離比を前記基準設定から変動させたことを特徴とする半導体製造装置が提供される。
本発明によれば、異なる高さに位置する２箇所の接合箇所に同時に超音波振動を与えてそれら２箇所の接合箇所の接合を同時に行うにあたって２箇所の接合箇所における接合性のばらつきを抑えることができる半導体製造装置が提供される。
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態では、半導体製造装置として、半導体チップとリードフレームとの電気的接続を担うストラップの接合に用いる接合装置を説明する。そのストラップは、超音波振動接合法により半導体チップ及びリードフレームに対して接合される。
図１は、その超音波接合に用いる超音波接合装置（超音波ボンディングツール）の外観斜視図であり、図２は、図１におけるＡ部の拡大正面図である。また、図２には、半導体チップ１、リードフレーム５およびこれら両者を接続するストラップ７も図示している。
本実施形態に係る超音波接合装置は、円柱体１０と、この円柱体１０における一方の軸方向端面近傍の外周面に設けられた第１の突出部１１と第２の突出部１２とを備える。第１の突出部１１と第２の突出部１２との対は、図１に示す例では、例えば１８０°間隔で円柱体１０の外周面に２対設けられているが、これに限ることなく、１対でもあるいは３対以上設けてもよい。
第１の突出部１１及び第２の突出部１２は、共に四角柱状に設けられ、それぞれの側面は円柱体１０の端面に対して略平行であり、それぞれの先端面は円柱体１０の端面に対して略垂直である。第１の突出部１１及び第２の突出部１２のそれぞれが有する４つの側面のうちの１つの側面は、円柱体１０の端面と面一となっている。
第１の突出部１１及び第２の突出部１２は、それぞれの突出方向が略平行すなわち略同じ方向に突出している。第１の突出部１１の突出量と第２の突出部１２の突出量とは異なり、本実施形態では、第１の突出部１１の方が第２の突出部１２よりも大きく突出している。したがって、第１の突出部１１の先端面と第２の突出部１２の先端面との間には段差が生じている。
円柱体１０の軸心Ｏを通り、第１の突出部１１及び第２の突出部１２の突出方向に平行な直線をｚとすると、第１の突出部１１及び第２の突出部１２のそれぞれの中心（四角形状の先端面の中心）は、直線ｚを挟んだ位置関係にあるのではなく、例えば図２に示す例では、第１の突出部１１の中心及び第２の突出部１２の中心は直線ｚよりも右側に位置する。
円柱体１０の軸心Ｏと第１の突出部１１の先端における中心（四角形状の先端面の中心）との距離ａと、円柱体１０の軸心Ｏと第２の突出部１２の先端における中心（四角形状の先端面の中心）との距離ｂとは略同じである。
第１の突出部１１及び第２の突出部１２のそれぞれの先端面は互いに略平行であり、それら先端面には複数の突起１５が設けられている。これら突起１５の高さ（突出量）は略同じである。
円柱体１０の内部において軸心位置には超音波振動発生源が設けられ、ここで発生した超音波振動は、円柱体１０を介して第１の突出部１１及び第２の突出部１２のそれぞれの先端に伝播される。第１の突出部１１及び第２の突出部１２のそれぞれの先端における超音波振動の縦振動方向は、それぞれの先端面に対して略平行な方向である。
次に、図２を参照して、超音波接合される対象について説明する。
半導体チップ１にはトランジスタ素子などが集積化された集積回路が形成され、半導体チップ１の表裏両面のそれぞれには集積回路と電気的に接続された電極パッドが形成されている。集積回路、電極パッド等は、チップにされる前のウェーハ状態でのウェーハ処理工程で形成され、その後のダイシング工程を経て半導体チップ１が得られる。以降、半導体チップ１を外部回路に接続させるためのボンディング工程や、パッケージング（樹脂封止）工程等が行われていく。
半導体チップ１とストラップ７との接合を行う前に、半導体チップ１と第１のリードフレーム３との接合が行われる。半導体チップ１の裏面に形成された電極パッドが、はんだまたは銀ペースト等の導電性接合材を用いて第１のリードフレーム３の表面上に接合される。第１のリードフレーム３は、導電性材料（例えば銅など）からなり、半導体チップ１の裏面電極パッドと電気的に接続される。また、第１のリードフレーム３は、半導体チップ１を支持する支持体としても機能する。第１のリードフレーム３は、その裏面、またはチップ搭載部と一体に設けられた図示しない外部リードを介して外部回路と接続される。
ストラップ７は、例えば銅、アルミニウムなどの導電性材料からなり、板状もしくは帯状に形成されている。ストラップ７の一端部７ａは、半導体チップ１の表面に形成された電極パッドに超音波接合され、他端部７ｂは、例えば銅などの導電性材料からなる第２のリードフレーム５に超音波接合される。第２のリードフレーム５は、ストラップ７との接合部と一体に設けられた図示しない外部リードを介して外部回路と接続される。
半導体チップ１の表面と、第２のリードフレーム５におけるストラップ７との接合面とは異なる高さに位置する。したがって、ストラップ７と半導体チップ１との接合部と、ストラップ７と第２のリードフレーム５との接合との間には段差が生じている。本実施形態では、そのように異なる高さに位置する２箇所の接合箇所に対して、前述した超音波接合装置によって、同時に超音波振動を与えてそれら２箇所の接合箇所の接合を同時に行う。
図３（ａ）は接合前、図３（ｂ）は接合時（超音波振動印加時）、図３（ｃ）は接合後の状態を順に示す。
図３（ａ）の状態では、半導体チップ１の裏面と第１のリードフレーム３とはすでに接合された状態であるが、ストラップ７は半導体チップ１及び第２のリードフレーム５上に載置されただけであり接合されていない。第１のリードフレーム３及び第２のリードフレーム５は図示しないステージ上に支持されており、第１の突出部１１及び第２の突出部１２を円柱体１０ごと、静止しているストラップ７に向けて下降させていく。
そして、図３（ｂ）に示すように、第１の突出部１１の先端に設けられた突起１５を、ストラップ７において半導体チップ１上に載置された一端部７ａの表面に押し付け、第２の突出部１２の先端に設けられた突起１５を、ストラップ７において第２のリードフレーム５上に載置された他端部７ｂの表面に押し付ける。この状態で、第１の突出部１１を介して、ストラップ７の一端部７ａと半導体チップ１との接合界面に超音波振動が加えられ、これと同時に、第２の突出部１２を介して、ストラップ７の他端部７ｂと第２のリードフレーム５との接合界面に超音波振動が加えられる。それら接合界面における超音波振動の縦振動方向は、接合界面に対して略平行な方向である。
第１の突出部１１と第２の突出部１２との離間距離は、２箇所の接合箇所の離間距離に合わせて設定されている。また、２箇所の接合箇所における接合部の高さが異なり、段差があるため、これに合わせて、前述したように第１の突出部１１と第２の突出部１２との突出量に差を設けることで、第１の突出部１１の先端と第２の突出部１２の先端との間にも段差が設けられている。
前述した２箇所の接合部に加圧（押圧）状態で同時に超音波振動が加えられることで、それら２箇所が同時に接合される。すなわち、半導体チップ１の表面電極パッドとストラップ７の一端部７ａとの接合と、第２のリードフレーム５とストラップ７の他端部７ｂとの接合が同時に行われる。これにより、半導体チップ１の表面電極パッドが、ストラップ７及び第２のリードフレーム５を介して外部回路と電気的に接続可能となる。また、第１の突出部１１及び第２の突出部１２の先端面に複数の突起１５を設けることで、接合面への押圧力を高めて接合強度を高めることが可能になる。
接合が終わると、図３（ｃ）に示すように、第１の突出部１１及び第２の突出部１２が円柱体１０ごと上方に移動し、ストラップ７から離れる。ストラップ７において第１の突出部１１及び第２の突出部１２の突起１５が押し付けられていた表面には、突起１５の形状が転写された微小な凹凸痕が残る。
ここで、図６は、比較例に係る超音波接合装置において、前述した図２に対応する拡大正面図である。
高さの異なる（段差のある）２箇所の接合箇所に対して、円柱体の外周面に設けた２つの突出部を同時に押圧させて超音波振動を与えて接合させることを可能にするためには、接合箇所の段差に合わせて２つの突出部の突出量を異ならせる必要がある。しかし、このような構成の場合、突出部の配置関係によっては、一方の突出部の先端と超音波振動の発生源（円柱体１０の軸心Ｏ）との距離と、他方の突出部の先端と超音波振動の発生源（円柱体１０の軸心Ｏ）との距離とに差が生じる場合がある。
例えば図６に示す比較例では、第１の突出部１１及び第２の突出部１２のそれぞれの中心（四角形状の先端面の中心）が、円柱体１０の軸心Ｏを通り第１の突出部１１及び第２の突出部１２の突出方向に平行な直線ｚを挟んだ位置関係にあり、円柱体１０の軸心Ｏと第１の突出部１１の先端における中心（四角形状の先端面の中心）との距離ａと、円柱体１０の軸心Ｏと第２の突出部１２の先端における中心（四角形状の先端面の中心）との距離ｂとに差が生じている（距離ａの方が距離ｂより長い）。
円柱体１０の軸心Ｏと第１の突出部１１の先端との距離ａと、円柱体１０の軸心Ｏと第２の突出部１２の先端との距離ｂとに差が生じると、第１の突出部１１の先端における超音波振動の縦振動強さと、第２の突出部１２における超音波振動の縦振動強さとに差が生じる。
距離ａが距離ｂよりも長い場合には、第１の突出部１１の先端よりも第２の突出部１２の先端における縦振動強さの方が小さくなるため、半導体チップ１とストラップ７との接合が良好であっても、第２のリードフレーム５とストラップ７との接合が不十分となる可能性がある。この場合に、第２のリードフレーム５とストラップ７との接合力を高めるために、円柱体１０をより下方へと付勢して第２の突出部１２をより強くストラップ７の他端部７ｂに押し付けることも考えられるが、円柱体１０に一体な第１の突出部１１も同時に下方への押圧力が強められるため、半導体チップ１に過大な応力が加わり破損するおそれがある。
これに対して本実施形態では、円柱体１０の軸心Ｏと第１の突出部１１の先端との距離ａと、円柱体１０の軸心Ｏと第２の突出部１２の先端との距離ｂとが略同じとなるように、第１の突出部１１及び第２の突出部１２の突出量差及び設置位置を適切に設定している。距離ａと距離ｂとを略同じとすることで、第１の突出部１１の先端における縦振動強さと、第２の突出部１２の先端における縦振動強さとが同程度となり、半導体チップ１とストラップ７との接合および第２のリードフレーム５とストラップ７との接合という、段差のある２箇所の同時接合を接合ばらつきを生じさせることなく良好に行うことができる。
前述した実施形態では、半導体チップ１とストラップ７との接合部よりも、第２のリードフレーム５とストラップ７との接合部の方が高い位置にある場合を例にして説明したが、図４に示すように、半導体チップ１とストラップ７との接合部の方が、第２のリードフレーム５とストラップ７との接合部よりも高い位置にある場合にも本発明は適用可能である。
すなわち、第２の突出部１２よりも突出量が大きく下方に位置する第１の突出部１１の先端を、半導体チップ１の表面よりも低い位置にある第２のリードフレーム５上のストラップ７の他端部７ｂに押圧させ、第２の突出部１２の先端を、半導体チップ１の表面上のストラップ７の一端部７ａに押圧させる。
この場合においても、円柱体１０の軸心Ｏと第１の突出部１１の先端との距離ａと、円柱体１０の軸心Ｏと第２の突出部１２の先端との距離ｂとが略同じとなるように、第１の突出部１１及び第２の突出部１２の突出量差及び設置位置を適切に設定している。したがって、第１の突出部１１の先端における縦振動強さと、第２の突出部１２の先端における縦振動強さとが同程度となり、段差のある２箇所の同時接合を接合ばらつきを生じさせることなく良好に行うことができる。
円柱体１０の軸心Ｏと第１の突出部１１の先端との距離ａと、円柱体１０の軸心Ｏと第２の突出部１２の先端との距離ｂとが略同じとなるように設定した場合であっても、接合される部分の材質、質量、強度、超音波振動の伝播性など２箇所の接合箇所における接合条件によっては、それら２箇所の接合性がばらつく場合が起こりうる。また、共に金属体であるストラップ７と第２のリードフレーム５との接合部よりも、大部分が例えばシリコンからなる半導体チップ１と金属体であるストラップ７との接合部の方が、半導体チップ１の破損を抑える観点から与える超音波振動の縦振動強さを小さくすることが望ましい場合も考えられる。
そこで、図５に示す実施形態では、円柱体１０の軸心Ｏと第１の突出部１１の先端との距離ａと、円柱体１０の軸心Ｏと第２の突出部１２の先端との距離ｂとが略同じである状態（２点鎖線で示す状態）を基準設定として、接合される部分の材質、質量、強度、超音波振動の伝播性など２箇所の接合箇所の接合条件に応じて、円柱体１０の軸心Ｏに対する第１の突出部１１の先端と第２の突出部１２の先端との距離比を前記基準設定から変動させている。
例えば、図５に示す例では、第１の突出部１１及び第２の突出部１２を、２点鎖線で示す基準設定に対して距離ｘだけ、縦振動方向に対して略平行な方向に移動させた位置に設定している。これにより、円柱体１０の軸心Ｏと第１の突出部１１の先端との距離ａの方が、円柱体１０の軸心Ｏと第２の突出部１２の先端との距離ｂよりもわずかに短くなり、その分、第１の突出部１１の先端における縦振動強さが第２の突出部１２の先端における縦振動強さよりも若干弱められる。したがって、第１の突出部１１を介して押圧力及び超音波振動が加えられる半導体チップ１の破損を抑えることができる。
本実施形態では、各種接合条件に応じて、前記距離ａと距離ｂとに意図的に差を生じさせるが、この設定にあたって、第１の突出部１１及び第２の突出部１２の位置を、基準設定に対して微調整することにより、２箇所の接合箇所における接合性が不所望に大きくばらついてしまうのを回避しつつ、各種接合条件に応じた適切な位置への設定を容易に行うことができる。
また、第１の突出部１１及び第２の突出部１２の両方を基準設定に対して移動させることに限らず、どちらか一方だけを基準設定に対して移動させてもよい。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
本発明は、半導体チップとリードフレームとを電気的に接続するストラップの接合に限らず、半導体チップどうしを電気的に接続するためのストラップの接合にも適用可能である。
本発明の実施形態に係る半導体製造装置としての超音波接合装置の外観斜視図。 図１におけるＡ部の拡大正面図。 本発明の実施形態において、（ａ）は接合前、（ｂ）は接合時（超音波振動印加時）、（ｃ）は接合後の状態を順に示す模式図。 本発明の他の実施形態に係る半導体製造装置としての超音波接合装置における図２と同様な拡大正面図。 本発明のさらに他の実施形態に係る半導体製造装置としての超音波接合装置における図２と同様な拡大正面図。 比較例に係る超音波接合装置において、本発明の実施形態の図２に対応する拡大正面図。
符号の説明
１…半導体チップ、３…第１のリードフレーム、５…第２のリードフレーム、７…ストラップ、１０…円柱体、１１…第１の突出部、１２…第２の突出部、１５…突起

Claims (5)

  1. 異なる高さに位置する２箇所の接合箇所に同時に超音波振動を与えて前記２箇所の接合箇所の接合を同時に行う半導体製造装置であって、
    円柱体と、前記円柱体の外周面に設けられ、前記円柱体を介して超音波振動が伝播される第１の突出部と、前記第１の突出部とは異なる突出量で前記円柱体の外周面に設けられ、前記円柱体を介して超音波振動が伝播される第２の突出部とを備え、
    前記円柱体の軸心と前記第１の突出部の先端との距離と、前記円柱体の軸心と前記第２の突出部の先端との距離とが略同じであることを特徴とする半導体製造装置。
  2. 異なる高さに位置する２箇所の接合箇所に同時に超音波振動を与えて前記２箇所の接合箇所の接合を同時に行う半導体製造装置であって、
    円柱体と、前記円柱体の外周面に設けられ、前記円柱体を介して超音波振動が伝播される第１の突出部と、前記第１の突出部とは異なる突出量で前記円柱体の外周面に設けられ、前記円柱体を介して超音波振動が伝播される第２の突出部とを備え、
    前記円柱体の軸心と前記第１の突出部の先端との距離と、前記円柱体の軸心と前記第２の突出部の先端との距離とが略同じである状態を基準設定として、前記２箇所の接合箇所の接合条件に応じて、前記円柱体の軸心に対する前記第１の突出部の先端と前記第２の突出部の先端との距離比を前記基準設定から変動させたことを特徴とする半導体製造装置。
  3. 前記第１の突出部の先端及び前記第２の突出部の先端に複数の突起が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体製造装置。
  4. 前記第１の突出部の突出方向と前記第２の突出部の突出方向とが略平行であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体製造装置。
  5. 前記第１の突出部の先端面と前記第２の突出部の先端面とが略平行であり、前記先端面における前記超音波振動の縦振動方向は前記先端面に対して略平行であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体製造装置。
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