JPH0774214A - 熱圧着装置と熱圧着方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体装置のリード接続等に利用する熱圧着
装置と熱圧着方法に関し、圧着の信頼性，確実性の向上
を目的とする。 【構成】 軸心が同一水平面である二対の回動自在軸22
と23により熱圧着用ステージ21がＸ方向，Ｙ方向に揺動
自在であり、ステージ21に搭載した被圧着体の被圧着面
が、該水平面内に位置するように装置構成する。圧着開
始前のステージ21の姿態を規制するストッパーを設け
る。被圧着体に圧着体を押圧する圧着駆動源には粗動源
と微動源とを設け、圧着に必要な圧力を該微動源により
付与せしめる。被圧着体より垂下するピンの貫通孔をセ
ラミックキャリアに設け、圧着時には、ステージ21に設
けた金属板にピンの先端を当接せしめる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置においてイ
ンナーリードやアウターリードを接続する等の熱圧着装
置と熱圧着方法に関し、多数の圧着点の均一化を目的と
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置におけるリードの接続等に用
いる熱圧着装置は、一般に、被圧着体（例えばパッケー
ジ基板）を圧着ステージに搭載し、被圧着体に圧着体
（例えばリード）を搭載し、加熱手段（ヒータ）を具え
た圧着ツールにて圧着体を被圧着体に押圧する構成であ
る。

【０００３】かかる装置においてジンバル機構によって
支持されたステージは、圧着ツールの加圧面に倣うよう
に揺動自在である。図８は従来の熱圧着装置の主要部の
構成図(イ) と、そのステージの動作説明図(ロ),(ハ) であ
り、図９は従来の熱圧着装置における被圧着体の固定方
法の説明図である。

【０００４】半導体チップ１にリード２のインナーリー
ドを接続し、リード２のアウターリード（圧着体）をパ
ッケージ基板（被圧着体）３に接続する熱圧着装置４に
おいて、圧着用ステージ５は、ベース６の中心部に配設
した鋼球７と、一端をベース６に固着し他端がステージ
５に固着された板ばね８に保持される。

【０００５】ベース６は、ガイドブッシュ９に嵌合し上
下動可能な複数のガイドポスト10に支持されており、シ
リンダ11に嵌合し上下動可能な駆動軸12は、適当な押圧
力ｆにてロードセル13を介し、ベース６を押し上げるよ
うになる。

【０００６】ステージ５に基板３を固定し、基板３の上
に半導体チップ１を搭載し、バンプ14を介してインナー
リードが半導体チップ１に接続されたリード２のアウタ
ーリードと、そのアウターリードを重ねた基板３の端子
15とは、加熱圧着ツール16の押圧により圧着される。

【０００７】該アウターリードと端子15とを接続させる
圧着ツール16の圧着時押圧力Ｆは、駆動軸12の押圧力ｆ
より十分に大であり、押圧力ｆはロードセル13により検
出し制御する。

【０００８】かかる熱圧着装置において、ステージ５は
板ばね８のバランスによって姿勢が支持されており、例
えば図８(イ) に一点鎖線で示す如くツール16の押圧面ま
たはステージ５の上面が傾斜しているとき、ステージ５
の上面はツール16の押圧面に倣うようになる。即ち、図
８(ロ) に示す如く傾斜するステージ５は、図８(ハ) に示
す如くツール16に倣って回動し、その回動中心は鋼球７
の中心に一致するため、ステージ5の中心は寸法δだけ
ずれるようになる。

【０００９】図９において、パッケージ基板３をステー
ジ５に搭載し固定するには、機械的強度の弱い多数のピ
ンが垂下する基板３をセラミックキャリア17に装着し、
ステージ５には、キャリア15の下面を吸着する排気孔18
を設け、キャリア17をステージ５に真空吸着させる方法
が採用されている。

【００１０】従来のキャリア17は、基板３より垂下し図
示されない多数のピンを収納し、ピンがキャリア17の外
に突出しないようになっている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】熱圧着装置において、
熱圧着（ボンディング）の品質を向上させるには、圧着
体を傷付けないようにすると共に、圧着荷重，圧着温度
を正確に管理し、接合合金の共晶状態（接合状態）を監
視する必要がある。

【００１２】しかし、従来装置において押圧ツール16の
押圧面またはステージ５の上面が傾斜しているとき、ス
テージ５の上面はツール16の押圧面に倣って回動し、そ
の回動中心が鋼球７の中心に一致し、ステージ５の上面
は鋼球７の中心より上方に位置する構成である。

【００１３】そこで、図８(イ) に示すように鋼球７の中
心とステージ５の上面との距離をｄ, ステージ５の傾斜
角度をθとし、図８(ハ) に示すようにツール16の押圧面
幅をａとしたとき、リード２と端子15との圧着に際しリ
ード２とツール16の押圧面との間では、 (ａ× cosθ) −ａ の滑りが発生し、その滑りによってリード２が傷付けら
れたり、圧着の位置ずれが生じ易いという問題点があっ
た。

【００１４】さらに、ステージ５にはパッケージ基板３
を加熱するための配線, セラミックキャリア17を真空吸
着するための吸気管が接続されており、それらが板ばね
８を利用したステージ５の支持姿態の外乱要因となる。

【００１５】かかる前記外乱要因によってもステージ５
の高精度な姿勢の再現性が難しくなり、そのことによっ
て圧着部の認識誤差および初期当たり誤差を生じ、端子
15に対するリード２の位置ずれが発生するという問題点
もあった。

【００１６】また、押圧力ｆによってステージ５を押し
上げ、押圧力Ｆによってツール16を押し付ける熱圧着装
置において、リード２と端子15との圧着力はｆとなるた
め、押圧力ｆも正確でなければならない。

【００１７】そこで、従来装置４において空気圧を利用
したシリンダ11には、ベロフラムシリンダのように比較
的良い線形特性のものを使用して押圧力ｆを設定し、ロ
ードセル13にて圧着力を監視する構成である。しかし、
かかる構成にしたとき、圧着面積が比較的大きい場合に
は特に問題ないが、圧着面積が小さいマイクロボンディ
ングでは正確な圧着力管理が困難になる。

【００１８】さらに、セラミックキャリア17を介してパ
ッケージ基板３を固定する従来方法では、基板３の下面
のうねりがリード２の熱圧着に影響すると共に、セラミ
ックキャリア17が圧着時の熱応力で数μm 程度変形し、
高精度の圧着が損なわれるようになる。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の手段は、
Ｘ軸方向に対向する第１の一対の回動自在軸22、Ｙ軸方
向に対向する第２の一対の回動自在軸23、第１または第
２の一対の回動自在軸22または23の一方に支持された熱
圧着用ステージ21、第１または第２の一対の回動自在軸
22または23の他方に支持された揺動板27、揺動板27に装
着し該一方の一対の回動自在軸22または23を支持する支
持具29を具え、中心軸線が同一水平面内に位置するよう
に回動自在軸22および23を配設し、ステージ21の上面に
搭載した被圧着体３の被圧着面が回動自在軸22および23
の軸心を含む水平面とほぼ揃うように構成した装置であ
る。

【００２０】本発明の第２の手段は、被圧着体３を搭載
し圧着用ツール16の押圧によって降下動する熱圧着用ス
テージ31がＸ軸方向およびＹ軸方向に揺動自在であり、
ツール16による降下動前のステージ31をほぼ水平に保持
するストッパー32が配設された装置である。

【００２１】本発明の第３の手段は、前記第１の手段の
特徴と第２の手段の特徴の双方を備えた装置である。本
発明の第４の手段は、被圧着体３に圧着体２を押圧する
圧着用ツール16の圧着駆動源には、ツール16をステージ
に向けて駆動させる粗動源36と、粗動源36と同一方向に
ツール16を駆動させる微動源38とを設け、圧着に必要な
圧力で押圧する押圧力より適当に弱い所定圧力までは粗
動源36がツール16を駆動し、所定圧力以上は粗動源36よ
り細かい圧力増が可能な微動源38により駆動させる圧着
方法である。

【００２２】本発明の第５の手段は、半導体チップ１に
接続する多数のピン30が垂下するパッケージ基板３を熱
圧着用ステージ21に固定させる媒体であるセラミックキ
ャリア61にはピン30が貫通する透孔を設け、ステージ21
にはセラミックキャリア61を吸着する吸気孔62とセラミ
ックキャリア61を貫通したピン30の先端が当接する金属
板63とを設け、セラミックキャリア61をステージ21に吸
着固定したときピン30の中間部が該透孔に嵌合し、ピン
30の先端が金属板63に当接するようにした圧着方法であ
る。

【００２３】本発明の第６の手段は、前記第４の方法と
前記第５の方法の双方を採用した熱圧着方法。さらに、
本発明の第７の手段は、前記第３の手段と第５の手段と
を兼ね備えた装置である。

【００２４】

【作用】前記第１の手段によれば、ステージが揺動し被
圧着体の圧着面とツールの押圧面とが倣うとき、ツール
と圧着体との滑りが殆ど発生しないようになる。従っ
て、従来装置で生じた圧着体の傷が防止される。

【００２５】前記第２の手段によれば、ステージに連通
する配線等の影響をストッパーが規制する。そのため、
圧着部の認識誤差，初期当たり誤差が低減し、圧着の位
置ずれをなくし，信頼性と確実性が向上するようにな
る。

【００２６】前記第３の手段によれば、圧着体の傷が発
生しないようになり、かつ、圧着の信頼性と確実性が向
上する。前記第４の手段によれば、ツールによる押圧力
が安定となり、圧着の信頼性と確実性が向上する。

【００２７】前記第５の手段によれば、パッケージ基板
にリードを圧着せしめるのに際し、パッケージ基板下面
のうねり，セラミックキャリアの変形による影響をなく
すことが可能となり、マイクロボンディングにおける均
一性が向上する。

【００２８】前記第６の手段によれば、前記４の手段に
よる効果と、前記第５の手段による効果の双方が同時に
達成されることになる。さらに本発明の第７の手段によ
れば、圧着体の傷が発生しないようになり、かつ、圧着
の信頼性と確実性が向上すると共に、パッケージ基板に
リードを圧着せしめるのに際し、パッケージ基板下面の
うねり，セラミックキャリアの変形による影響をなくす
ことが可能となり、マイクロボンディングにおける均一
性が向上する。

【００２９】

【実施例】図１は本発明の実施例装置における主要部構
成の説明図、図２は図１に示す主要部構成のモデル図、
図３は本発明の他の実施例装置における主要部構成の説
明図、図４は本発明のさらに他の実施例装置における圧
着力制御方法説明用モデル図、図５は図４に示すモデル
の動作説明図、図６は図４に示すモデルの構成例を示す
斜視図、図７は本発明によるパッケージ基板固着用セラ
ミックキャリアの構成例の説明図である。

【００３０】図１において、従来のステージ５に相当す
るステージ21は、ステージ21を前後方向（Ｙ方向）に揺
動自在にする一対の軸22と、ステージ21を左右方向に揺
動自在にする一対の軸23等を介し、従来のベース６に相
当するベース24に支持されるようになる。

【００３１】ベース24に固着し前後方向に対向する一対
の支持金具25は、軸23を回動自在に支持し、その軸23の
先端には金具26を固着し、一対の支持金具26は揺動板27
に固着する。

【００３２】揺動板27の左右方向端部にはそれぞれ支持
金具28が直立し、それぞれの支持金具28に嵌合し回動自
在な一対の軸22の先端には支持金具29を固着し、一対の
支持金具29にステージ21を固着する。

【００３３】軸22と23の中心軸線は同一水平面内に位置
し、その平面に対してステージ21の上面21a は図２に示
す如く、被圧着体（例えばパッケージ基板３）の厚さ分
だけ低くする。

【００３４】従って、軸22と23によってステージ21は、
前後方向（Ｙ方向）と左右方向（Ｘ方向）に揺動自在で
あり、かつ、ステージ21に固定した被圧着体の表面にス
テージ21の揺動中心が位置することになる。

【００３５】そこで、ベース６に支持された従来のステ
ージ５に替え、ベース24に支持されたステージ21を使用
した圧着装置は、圧着ツール16がリード２を擦らないよ
うになり、圧着ツール16がリード２を傷付ける恐れがな
い。

【００３６】図３において、従来と同じく鋼球７と板ば
ね８によりベース６に支持されたステージ31は、従来の
ステージ５より外側に張り出し部を設け、駆動軸12がス
テージ31を押し上げたときその張り出し部には、ステー
ジ31の上面をほぼ水平にするストッパー32が当接する。

【００３７】かかるステージ31は、パッケージ基板３と
半導体チップ１を搭載し、半導体チップ１にインナーを
接続したリード２のアウターを基板３の端子15に接続す
るためツール16を押圧せしめたとき、従来のステージ５
と同じく鋼球７の中心を回動中心として回動するように
なる。

【００３８】しかし、ストッパー32により規制されたス
テージ31は、その状態でほぼ水平となり、ステージ31の
姿態を損なう配線等の影響を受けないため、ツール16が
リード２を擦ることによる傷は、発生しないようにな
る。

【００３９】図４において、圧着荷重の能動的制御に係
わる本実施例では、ツール16がモーター35と粗動加圧手
段（粗動源）36によって粗く上下動し、さらに微動加圧
手段（微動源）38によって微細な上下動を行い、リード
２を端子15に押圧させる圧着ツール16の押圧力を感圧素
子39が検出する。

【００４０】粗動加圧手段36と感圧素子39とは中間部材
37を介して上下方向に連結し、ツール16は微動加圧手段
38を介して感圧素子39に連結する。かかる加圧機構は図
５に示す如く、圧着体 (リード２) に対する粗動加圧手
段36の位置を決めを行い、次いで粗動加圧手段36を動作
させたのち、圧着体に対する微動加圧手段38の位置決
め, ツール16が圧着体に接触したことの確認, ツール16
を発熱せしめ、しかるのち、微動加圧手段38を駆動せし
めツール16を圧着体に加圧すると共にその押圧力を検出
する。

【００４１】図４を用いて説明した加圧機構の具体的構
成例である図６において、モーター35を収容した粗動加
圧手段36は、モーター35を装着した板状部材41, モータ
ー35の回動力を一対のボールねじ42に伝えるプーリー43
とベルト44, ボールねじ42の回動により上下動する板状
部材45, 部材45の上下動のガイドとなる複数本の軸46等
にてなる。

【００４２】微動加圧手段38は、上面を感圧素子 (ロー
ドセル) 39に接着し下面をツール接合部材49に接着した
スタック型ピエゾ素子47と、ピエゾ素子47による部材49
の微細な上下動をガイドする複数本の軸48等にてなり、
圧着ツール16は部材49より垂下する。

【００４３】圧着ツール16にはヒーターと熱電対を収容
し、部材49はツール16の加熱に伴う熱膨張をなくすため
アンバー材を使用した。コード50はコネクタ51を介して
前記熱電対に接続し、コード52はコネクタ53を介して前
記ヒーターに接続されており、ツール16の位置合わせ例
としては、レーザー源54より出射したレーザービーム55
をリード２の圧着部に照射し、その照射像の座標を顕微
鏡 (または目視) で観察する。そして、該照射像座標が
所定値のとき、その上方にツール16が位置するようにす
る。

【００４４】なお、図４，５，６を用いて説明した熱圧
着方法は、リード２と端子15との部分的接合不良の再生
に適用し、極めて効率的かつ便利である。図７におい
て、基板３をステージ21に搭載するセラミックキャリア
61には、基板３より垂下する多数のピン30が貫通する透
孔を設け、ステージ21に設けた吸気孔62を使用した真空
吸着法によってキャリア61をステージ21に固定したと
き、ピン30の先端はステージ21の上面に配設した金属板
63に当接する。

【００４５】そこで、インナーリードを半導体チップ１
に接続したリード２と基板３の接続のため、圧着ツール
16を使用しリード２のアウターリードを基板３に向け押
圧したとき、圧着力Ｆ＋ｆは分散して多数のピン30が受
ける。

【００４６】従って、基板３はキャリア61と直接に接す
ることなく支持されるようになり、そのことは、リード
２の圧着に際し基板３の下面の変形（うねり）および、
キャリア61の熱膨張による変形による従来の影響をなく
すことができる。

【００４７】キャリア61を使用しピン30の先端が金属板
63に当接する前記圧着において、多数のピン30には長さ
のばらつきが不可避である。従って、圧着力Ｆ＋ｆを印
加したとき、長いピン30はその過長分を弾性変形によっ
て吸収することになる。

【００４８】なお、図７において符号64は吸気ノズルで
あり、吸気孔62に連通するノズル64は、基板３の下面の
中心部に対向する。従って、吸気孔62からの排気によっ
キャリア61をステージ21に固定させると共に、基板３は
ノズル64からの吸気力によってステージ21に固定される
ようになる。

【００４９】図１と図３を用いて本発明の他の実施例を
説明すると該他の実施例は、図１のステージ21の揺動を
図３のストッパー32で規制した構成であり、かかる構成
とすることによって、ステージ21によってツール滑りを
なくすと共に、ステージ21の大きな傾きを防止し、圧着
の確実性，信頼性の効果は一層向上する。

【００５０】さらに、図６を用いて説明したツール押圧
力の制御方法と、図７を用いて説明したパッケージ基板
の固定方法との双方を同一装置に採用すること、ならび
に図３を用いて説明したストッパー32を利用する方法
と、図７を用いて説明したパッケージ基板の固定方法と
の双方を同一装置に採用することで、パッケージ基板に
半導体チップを搭載する圧着の確実性，信頼性は、一層
向上することになる。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、圧
着体を傷付けない，圧着部の認識誤差および初期当たり
誤差が低減する，圧着ツールによる押圧力が安定化す
る，パッケージ基板下面のうねりおよびセラミックキャ
リアの変形による影響をなくすようになり、圧着の確実
性，均一性，信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例装置における主要部構成の説
明図

【図２】 図１に示す主要部構成のモデル図

【図３】 本発明の他の実施例装置における主要部構成
の説明図

【図４】 本発明の実施例装置における圧着力制御方法
説明用モデル図

【図５】 図４に示すモデルの動作説明図

【図６】 図４に示すモデルの構成例を示す斜視図

【図７】 本発明によるセラミックキャリアの構成例の
説明図

【図８】 従来の熱圧着装置の主要部とステージの動作
の説明図

【図９】 従来の熱圧着装置における被圧着体の固定方
法の説明図

【符号の説明】

１は半導体チップ ２はリード（圧着体） ３はパッケージ基板（被圧着体） 16は圧着用ツール 21,31 は圧着用ステージ 22は第１の回動自在軸 23は第２の回動自在軸 27は揺動板 29は第１の回動自在軸を支持する支持具 30は半導体装置のパッケージ基板より垂下するピン 32はステージの姿態規制用のストッパー 36は粗動加圧源（粗動源） 38は微動加圧源（微動源） 61はセラミックキャリア 62は吸気孔 63は金属板

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｘ軸方向に対向する第１の一対の回動自
   在軸(22)、Ｙ軸方向に対向する第２の一対の回動自在軸
   (23)、該第１または第２の一対の回動自在軸の一方に支
   持された熱圧着用ステージ(21)、該第１または第２の一
   対の回動自在軸の他方に支持された揺動板(27)、該揺動
   板に装着し該一方の一対の回動自在軸を支持する支持具
   (29)を具え、中心軸線が同一水平面内に位置するように
   該第１および第２の一対の回動自在軸を配設し、該ステ
   ージの上面に搭載した被圧着体(3) の被圧着面が該回動
   自在軸の中心軸を含む水平面とほぼ揃うように構成した
   こと、を特徴とする熱圧着装置。
2. 【請求項２】 被圧着体(3) を搭載し圧着用ツール(16)
   の押圧によって降下動する熱圧着用ステージ(31)がＸ軸
   方向およびＹ軸方向に揺動自在であり、該ツールによる
   降下動前の該ステージをほぼ水平にするストッパー(32)
   が配設されてなること、を特徴とする熱圧着装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の第１の一対の回動自在軸
   (22)，第２の一対の回動自在軸(23)，ステージ(21)，揺
   動板(27)，支持具(29)と請求項２記載のストッパー(32)
   とを具え、前記圧着用ツール(16)による降下動前の該ス
   テージがほぼ水平になるように該ストッパーが配設され
   てなること、を特徴とする熱圧着装置。
4. 【請求項４】 ステージ(21)に搭載した被圧着体(3) に
   圧着体(2) を押圧する圧着用ツール(16)の圧着駆動源に
   は、該ツールを該ステージに向けて駆動させる粗動源(3
   6)と、該粗動源と同一方向に該ツールを駆動させる微動
   源(38)とを設け、その圧着に必要な圧力で押圧する押圧
   力より適当に弱い所定圧力までは該粗動源が該ツールを
   駆動し、該所定圧力以上は該粗動源より細かい圧力増が
   可能な該微動源により駆動させること、を特徴とする熱
   圧着方法。
5. 【請求項５】 半導体チップ(1) に接続する多数のピン
   (30)が垂下するパッケージ基板(3) を熱圧着用ステージ
   (21)に固定させる媒体であるセラミックキャリア(61)に
   は該多数のピンが貫通する透孔を設け、該ステージには
   該セラミックキャリアを吸着する吸気孔(62)と該セラミ
   ックキャリアを貫通した該多数のピンの先端が当接する
   金属板(63)とを設け、該セラミックキャリアを該ステー
   ジに吸着固定したとき該多数のピンの中間部が該透孔に
   嵌合し、該多数のピンの先端が該金属板に当接させるよ
   うにすること、を特徴とする熱圧着方法。
6. 【請求項６】 熱圧着用ステージ(21)には請求項５記載
   の吸気孔(62)と金属板(63)とを設け、請求項５記載のセ
   ラミックキャリア(61)を用いて半導体チップ(1) に接続
   する多数のピン(30)が垂下するパッケージ基板(3) を該
   ステージに装着し、請求項４記載の圧着駆動源を用いて
   圧着体(2) を該パッケージ基板に圧着させること、を特
   徴とする熱圧着方法。
7. 【請求項７】 請求項３記載の熱圧着装置において、半
   導体チップ(1) に接続する多数のピン(30)が垂下するパ
   ッケージ基板(3) を熱圧着用ステージ(21)に固定させる
   媒体であるセラミックキャリア(61)には該多数のピンが
   貫通する透孔を設け、該ステージには該セラミックキャ
   リアを吸着する吸気孔(62)と該セラミックキャリアを貫
   通した該多数のピンの先端が当接する金属板(63)とを設
   け、該セラミックキャリアを該ステージに吸着固定した
   とき該多数のピンの中間部が該透孔に嵌合し該多数のピ
   ンの先端が該金属板に当接するように構成したこと、を
   特徴とする熱圧着装置。