JP2773576B2 - 半導体装置の製造方法の設計支援システム - 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製造方法の
設計支援システムに関し、特に圧着接合技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ
Ｂｏｎｄｉｎｇ（ＴＡＢ）の設計・製造は次の様に行わ
れている。

【０００３】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・錫又は半田めっきした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ＴＡ
Ｂテープのリードを重ね合わせ過去の実績に基づく所要
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（以下、圧下量）等を製造装置にセッ
トし、ボンディングを行っていた。そして、接合性を判
断するためにテンションゲージによる引張り試験や顕微
鏡による外観検査にてバンプ及びリードの最終変形量を
測定し確認する方法そして温度サイクルテストなどの信
頼性加速試験によってバンプ・リードの構造・寸法や製
造プロセスの設計の良・否判定を行う方法を用いてい
た。また、過去の実績からの類推が困難な新規の製品に
ついては、有限要素法などに代表される機械・構造・材
料加工などの分野に適用されている計算力学的手法に基
づくシミュレーション等によって応力解析・熱解析など
を行って、バンプの構造やフィルムキャリアテープの構
造，材料特性，加工動力の設計などの参考にしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の半導体
装置及びその製造方法の設計手法では、実製品または、
それに近い形態の試作品を用いた全製造プロセスを経た
後の信頼性評価試験等によってその設計の良否を判断せ
ねばならない故、設計指針へのフィードバックが受身的
にならざるを得ず、同時に、資材の手配・購入から製品
の試作投入，評価用サンプルの作成までに要する時間
（Ｔｕｒｎ Ａｒｏｕｎｄ Ｔｉｍｅ：以下ＴＡＴ）が
長くかかる上、試作コストもかかり、その評価結果も良
・不良の判定結果としてしか得られず、そのため、どの
ような改善設計を行えばよいか、その設計手法や改善部
分に関する具体的な情報など理論的・定性的かつ定量的
な設計指針を得ることは困難であった。

【０００５】また、熟練技術者による試行錯誤の末、よ
うやく最適化された結果を得ても、その過程を体系化す
るために必要な方法論もなく、さらにその設計のための
支援ツールも存在していなかった。

【０００６】さらに述べると、不良の判定を得た後、設
計者は過去の幾ばくかの実績の中からその類推によって
改善を試みなければならず、半導体装置の設計変更が必
要か、製造プロセスの設計変更が必要か、あるいは、材
料の変更か、等々を苦慮せねばならなかった。

【０００７】設計変更を行うと再び始めから評価のやり
直しとなり前述した実製品を用いた評価のくり返しを行
うことになる。材料変更などに関して言えば、材料メー
カーが用意する材料の中から選び出すという設計指向に
そぐわないこととなり、それらを評価する時には、一律
に用意されたすべての材料に対して評価しなければなら
ない状況にあった。つまり、幾ばくかの過去の実績を頼
りに、多大な工数と人手と時間と費用を費やさざるを得
ない設計環境にあったのである。

【０００８】また、最近では、半導体の分野にも他の産
業分野で研究開発されて普及してきている機械設計・構
造設計・材料加工プロセス設計のシミュレーションツー
ルやＣＡＤシステムなどを流用して、例えばＴＡＢに関
しては、加圧時の応力分布や加熱時の温度分布・熱流束
・熱応力などを有限要素法（以下、ＦＥＭ）による数値
計算で求めて、その結果を参考に設計を行っている例が
見受けられるようになった。これらのシミュレーション
ツールとしては、汎用構造解析プログラム「ＡＢＡＱＵ
Ｓ」（塑性と加工、Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ，３５０，１９
９０−３，ｐｐ．３４７〜３４９）あるいは、鍛造３次
元シミュレーション「ＦＯＲＧＥ３」（塑性と加工Ｖｏ
ｌ．３１，Ｎｏ．３５０，１９９０−３，ｐｐ．２９２
〜２９７）あるいは「ＭＡＲＣ」（同上、ｐｐ．３５０
〜３５３）など多数挙げられ、これらを適用して設計の
指針を得ようと努力が払われている。ところが、ＴＡＢ
のボンディング過程のように、対象が極めて小さなスケ
ールであり、非定常の変形過程（Ｍｅｔａｌ ｆｌｏ
ｗ）を伴いながらかつ接合面や工具面の接触条件・境界
条件が時系列に変化しつつ接合されていく過程を３次元
で記述し得る生産技術上有用なシミュレーションツール
は未だ存在しない。この分野の研究は、変形挙動と接合
の過程を結びつける必要があり、力学的・応用数学的問
題の他に接触問題や物質の変形機構の問題など物理的・
金相学（Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ）的な多くの問題も含ん
でいるため、それらを解決すべく研究が続けられている
のが現状であって、変形挙動の解析だけを取って見ても
解析対象や目的に応じて独自の巧妙な過程や制限を設け
たり、解析手法を選択・複合化したりしているのが実情
である。従って、現実を実現しうる完全解やそれに近い
近似解を得る解析手法を広く享受できるのは、当分先の
こととなると予想されている（塑性と加工，Ｖｏｌ．３
１，Ｎｏ．３５０，ｐ．ｐ２８２〜２８３及びｐｐ．２
８４〜２９１及びｐｐ．２９２〜２９７）。

【０００９】さらに進歩著しいハードウェアの面から見
ても、高速演算の行えるスーパーコンピュータは未だリ
ソースとしては貴重であると同時にＦＥＭ解析に限って
は、汎用大型機の数倍程度までしか計算時間を短縮でき
ないとの報告（塑性と加工，Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．３５
０，（１９９０−３）ｐ．２９６）もあり、ＣＰＵコス
トも高いこともあって、計算コストを下げる効果はそれ
ほど著しく期待できない恐れもある。また、周辺装置の
出力時間（画像処理）に２４時間以上かかる場合もある
など実用性の面で問題がある。また、Ｅｎｇｉｎｅｅｒ
ｉｎｇ Ｗｏｒｋ Ｓｔａｔｉｏｎ（以下ＥＷＳ）も従
来のミニコンピュータ並みの演算速度を持つようになっ
たが、数千点レベルを節点を持つ三次元解析を数分〜数
十分間で解くことは困難であるとの報告もある（塑性と
加工，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．３５０，（１９９０−
３），ｐ．２９６）。従って、生産技術者にとっては、
実用に十分耐え得る低コストの設計支援システムの出現
が待たれていたという経緯もあった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法の設計支援システムは、 Ａ：シリンダ・ピストン機構又は速度制御可能なサーボ
機構等が付加されたラック・ピニオンなどの歯車等によ
る動力伝達機構か又は、送りねじ機構等によるプレス機
構部と、 Ｂ：プレス機構部の駆動動力の大きさやプレス時のスピ
ードを制御するプレス制御部と、 Ｃ：プレス機構部に付加される加速度計，ロードセル，
変位計等のプレス過程に伴う諸力学量，幾何学量を計測
するプレスセンサー部と、 Ｄ：やはりプレス機構部の一部に付加される半導体製造
装置のボンディングツールに相当する上型ポンチの圧着
面に平坦又は凹凸またはテーパー等の加工が施された上
型ポンチ部と、 Ｅ：上型ポンチのプレス量を任意に変えられるストッパ
部と、 Ｆ：上型ポンチがプレス過程によって圧下・変形を与え
る、バンプとフィルムキャリアテープのリードを模して
拡大して作られたその任意断面に格子線が描かれた変形
モデル材料によるサンプルと、 Ｇ：モデル材料によるサンプルを支持し、上型ポンチに
てサンプルをプレスした時のそのサンプルの底面に発生
する面圧分布を検知する受圧センサーが格子点状に展開
されているか又は、ある直線上に一次元配列されている
受圧センサー板と、 Ｈ：受圧センサー板が組み込まれていて、上型ポンチが
鉛直下方にプレスするようにガイド棒を設けたステージ
部と、 Ｉ：プレスセンサー部及び受圧センサー板より出力され
る過渡現象下の各電圧変化を実時間で読み取り記憶保持
する計装部と、 Ｊ：計装部を制御し、プレス過程の過渡現象を示す電圧
変化を実際の諸力学量及び幾何学量に校正し、併せてそ
の校正後のデータをフロッピディスク等の周辺装置上へ
保存しディスプレイ画面上あるいはプリンタ上へグラフ
化してグラフィック出力を行わせて、定量的にプレス特
性を再現・編集する一連の諸手続き及びその手続きが内
外の記憶装置部等に組み込まれていて、その手続きが管
理実行されるパーソナルコンピュータ等の中央処理装置
部と、 Ｋ：やはり中央処理装置部にて実行される、プレス特性
をディスプレイ画面上で対話式に任意に設計し、プレス
制御部へその情報を転送する一連の諸手続き手段と、 Ｌ：モデル材料のサンプルの断面にあらかじめ描かれて
いた格子線のプレス前のパターン及び任意の各プレス段
階における該格子線のパターンを写しとったコピー写真
手段と、 Ｍ：格子線のパターンをコピー写真手段からｘ−ｙ直交
座標系の座標値として読みとるイメージスキャナ等の画
像取込み装置もしくはデジタイザ等のポインティングデ
バイスと、 Ｎ：画像取込み装置又はポインティングデバイスを制御
し、格子線の格子点の各座標値のデータから、格子線解
析法による非定常変形解析を行う数値解析プログラムと
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をす
る。

【００１２】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。

【００１３】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，ピストン１２，上型ポンチ１３
からなるプレス機構部１０を構成している。このプレス
機構部１０は、配管を通して電磁弁５１，空気圧をデジ
タル表示するゲージ５２を持つ電空レギュレータ５３に
つながっており、所要の設定圧力によって高圧空気をシ
リンダ１１内に送れるようになっている。また、電空レ
ギュレータ５３の空気圧は、プレス制御用コントローラ
５４より圧力設定信号が送られ電圧制御によって同レギ
ュレータのバルブコントロールを行うことで任意に設定
できる。同時に、プレススタート信号がコントローラ５
４から発せられるとゲート回路がＯＮとなり、電磁弁５
１の弁を開放する。図１４に空気アクチュエータを用い
た場合の、詳細な配管図を示してある。

【００１４】電磁弁５１が開放されてピストン１２，上
型ポンチ１３が下降を開始すると、変位計２１が出力を
開始し、これをトリガーとして全計測が開始される。ま
ず、変位計２１の電圧出力が上型ポンチ１３の位置変化
（運動）としてアンプ６１を通して計装系６２にプレス
過程の全工程に亘って記録される。同時にロードセル２
２が上型ポンチ１３の全圧下力（電圧出力）をやはり過
渡現象としてアンプ６１を通して計装系６２にプレス過
程の全工程に亘って記録される。また、この過程中、バ
ンプモデルサンプル３２の底面に発生している面圧分布
を受圧センサ板４１が検知し、これもまた電圧出力とし
てアンプ６１を通して計装系６２に記録される。

【００１５】尚、上述した中に現われたバンプモデルサ
ンプル３２は、リードモデルサンプル３１と共に、変形
モデル材料によって形成されたところの図４，図５に示
した半導体装置のフィルムキャリアテープのリード３と
バンプ４を拡大し、模して作成したモデル材料サンプル
３０であって、実製品では、微小構造寸法であるため、
変形・接合の非定常過程が視認できず、接合部内部の詳
細かつ直接的なひずみ解析が行えない理由により同サン
プルを用いているのであり、この点についても本発明に
おける従来の設計手法と異なる優位性を有する部分であ
る。同サンプル作成の詳細な説明は後述する。このよう
に、プレス機構部１０によって圧下・変形がモデル材料
サンプル３０に対して加えられる過程は、プレスセンサ
部２０，ステージ部４０の受圧センサ板４１，計装部６
０，及び中央処理装置部７０のコンピュータ７１と計測
・制御・処理プログラム９０，フロッピーディスク装置
７２が組み合わせられて一連の動作・処理を受け持つこ
とで進められる。同過程中に、計測された変位・荷重
（全圧下力），面圧分布を示す各電圧変化は、電圧出力
−時間曲線としてコンピュータ７１のグラフィックディ
スプレイ上あるいは、ｘ−ｙプロッタ７４などの周辺装
置等へグラフ化された状態でリアルタイムに表示され
る。上記実験結果は実験後、何度でも再現可能である。
さらに同結果は、コンピュータ７１上にて、計測・制御
・処理プログラム９０を用いて、対話形式で前述した各
電圧出力−時間曲線から諸力学量・幾何学量に校正され
る。すなわち半導体装置のボンディング過程を表わすも
のに相当するプレス荷重−時間曲線，変位（圧下量）−
時間曲線及び実製品の製造過程では検知不可能な半導体
装置のバンプ４下に発生する面圧分布、つまりバンプモ
デルサンプル３２の底面に発生する面圧分布−時間曲線
として知ることができる。さらに必要ならば上型ポンチ
１３の動作特性を知る上で重要なプレス荷重−変位曲線
への換算・編集・出力も自動的に行え、その結果をディ
スプレイ画面上で見ながら実験の再現性の確認やプレス
時（すなわちボンディング時）の動的現象を比較・検討
することができる。上述のいずれの処理過程もオートメ
ーション化されており、実験者の作業負担を軽減させ、
解析過程に要する時間を短縮し、実験データを電子ファ
イル化された形で管理できるという利点がある。

【００１６】次に、モデル材料サンプル３０の非定常の
変形情報を同サンプルの任意断面にあらかじめ描かれて
いた格子線の模様の変化として得る。上記格子線の変化
は、コピー写真３３に写しとり、デジタイザ７３によっ
て数値化されｘ−ｙ座標値として読みとられる。読みと
られた座標値はコンピュータ７１を通してフロッピーデ
ィスク装置７２に逐次書き込まれ、記録保持される。同
データをもとに、接合現象に伴う変形過程の様相を示す
接合部領域内の変形速度（速度ベクトル），ひずみ速
度，ひずみの各分布を算出し、接合に必要な定量的情報
を得て設計へ適用することが可能となる。この一連の解
析の過程は、やはり中央処理装置部７０と非定常変形解
析プログラム８０を用いて対話形式にて行われ、実製品
では不可能であったフィルムキャリアテープのリード３
とバンプ４の内部に発生する接合過程中の変形過程を拡
大・可視化できて、精度の高いひずみ解析・力学的解析
が行え、接合過程と変形挙動との相関を把握できること
になる。尚、図１５にセンサ部、計装部および中央処理
装置部の詳細なシステム構成を示す。

【００１７】図２は、本発明の第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１と異なるとこ
ろは、アクチュエータとして電動アクチュエータを用い
ていて、プレス機構部１０′としてパルスモータ１
１′，ピストン１２′，上型ポンチ１３′，ピニオン１
４′，ラック１５′が用いられており、さらにプレス制
御部５０′にサーボ機構が用いられているので上型ポン
チ１３′の圧下速度の制御が精度良く行え、また加圧力
の伝達もピニオン１４′・ラック１５′の歯車伝達機構
によって確実性を増せた点にある。さらに、プレス動特
性生成プログラム９１を用いて中央処理装置部７０のコ
ンピュータ７１上にて、対話形式でその特性を示すとこ
ろの変位−時間曲線（第１式）、プレス速度−時間曲線
（第２式），プレス荷重−時間曲線（第３式）が設計で
きて、実製品における製造プロセス条件を設計している
ことに相当する。

【００１８】尚、上記第１〜第３式は下記の通りであ
る。

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【００２２】この情報を可変周波数パルス発振器５５′
に転送し、パルスモータ１１′をパルスの周波数及びパ
ルス数によって所要の速度で駆動させる。同時に同駆動
の正確さをレゾルバ５１′が回転角で検知し、これをＡ
／Ｄ変換器５３′にてデジタル信号に変換し、コンパレ
ータ５４′にて当初の設定値と比較を行い、差異が生じ
ていれば、加減速回路５２′にて補正しパルスモータ１
１′へ情報を送る。その後のモデル材料サンプル３０と
非定常変形解析プログラム８０及び計測・制御・処理プ
ログラム９０を用いての解析過程は第１の実施例と同様
である。

【００２３】以上が、本発明における第１の実施例及び
第２の実施例のシステムを用いた場合の一連の動作・解
析・処理の流れを説明したものであるが、次に、図６以
下の図を用いてより詳細に説明を加える。尚、図３は、
従来の設計最適化の流れを示した図で、その最適化の基
本となるところは、図４に示した一括ボンディングタイ
プも図５に示したシングルポイントボンディングのタイ
プも同様で、従来の実績及び熟練技術者による経験的情
報によるものが大部分であって本発明の優位性と対比さ
せられる部分である。

【００２４】さて、図６〜図９は本発明のシステムを用
いた時の解析・実験の過程を示した流れ図である。

【００２５】まず第１に、変形モデル材の調質を行う。
変形モデル材料としては、商品名プラスティシンと称す
る粘土状のものを使用する。鉛もしくは実製品と同じく
金，銅，アルミニウムなどで作成しても差しつけかえな
いが、これらの金属ではプレスするに必要な加工動力が
大変大きくなってしまう点で不都合が生じるから上記粘
土状のものが好ましい。

【００２６】プラスティシンの調質は、実製品のフィル
ムキャリアテープのリード３・バンプ４とその変形特性
・硬度等が相似となるように、水分の付加乾燥（一定時
間），冷却・加熱（これらも一定時間）又は、固形物の
添加等を行ってコントロールする。

【００２７】続いて、同材料の調質後の変形特性を定量
的に知るために本システムのプレス機構部１０，１０′
を用いて単軸圧縮試験を行う。この時モデル材料は円柱
状に成形して使用する。これは他の工業材料の変形特性
を知る手段と全く同じである。そして、この試験時のロ
ードセル２２，２２′と変位計２１，２１′の出力を計
測制御処理プログラム９０と中央処理装置部７０でもっ
て、計測処理し変形抵抗曲線を算出してフロッピーディ
スク装置７２に同曲線の数値データを記録する。

【００２８】次に、上述したモデル材料をテフロン製の
型枠に入れて実製品のバンプ４，リード３と形状・寸法
が相似となるように実験サンプルであるリードモデルサ
ンプル３７とバンプモデルサンプル３２を成形する。成
形後、格子線解析用（非定常変形解析に用いる解析用）
の格子線を同サンプルの任意断面にゴム印等で転写す
る。転写する断面は、同サンプルをカッターナイフ等で
切断し、その切断面として得る。図１１に描画の様子を
示してあるが、同図では２つの互いに直交する断面が例
示してある。格子線描画後、切断面を再び合わせて一体
のサンプルとし、図１３に詳しく図示しておいたプレス
機構部の上型ポンチ１３によって圧下・変形させる。非
定常の圧下過程を可視化するために同図に示したストッ
パ１３ｄを種々の方法で準備し、所要の変形量に相当す
るストッパ１３ｄを用いる。つまり、圧下・変形の初期
のころから最終圧下までの数段階に亘る圧下過程を同ス
トッパの全長の相違によって区分し、その都度の変形情
報を得て、非定常変形過程の解析を適用することにな
る。

【００２９】変形段階の進行の様子は図１２に示してあ
る。

【００３０】続いて、非定常変形解析プログラム８０を
準備し、デジタイザ７３にて各変形段階の格子線の変化
を拡大コピーしたコピー写真３３から読みとる。読みと
る部分は、コピー写真３３に写されたモデル材料サンプ
ル３０の断面の自由表面輪郭部と同断面に描かれた格子
線との交点及び同断面内の各格子線どうしの交点である
格子点の各位置である。これによって任意の変形状態を
数値化することができる。同格子点の位置は、変形が進
むにつれて変化（一部変化しない点も生ずる）するの
で、その変化量すなわち変位を計算し、さらに変形に要
した時間を用いて対応する各変形段階の変形速度（速度
ベクトル）が算出される。次に、各格子点の変位が計算
されているのでリードモデルサンプル３１とバンプモデ
ルサンプル３２が互いに接触している接合部の接触面積
の変化も計算できる。これは、変形に伴う新生面露出に
よる表面積拡大作用がもたらす結果であって、この拡大
分を知ることで接合性の改善効果を見積ることが可能と
なる。この変形の様子はコンピュータ７１のグラフィッ
ク画面上へグラフィック表示される。

【００３１】続いて、このようにして得られた各格子点
の速度ベクトルを、特性曲線上へ補間計算する。特性曲
線群とは、前述したリードモデルサンプル３１及びバン
プモデルサンプル３２の断面上に重ね合わせるように設
けた数学的な正方格子線群のことで前述のサンプル断面
上にゴム印等で転写した格子線とは異なる格子線群であ
る。従ってこれ以後は、説明の便宜上、サンプル断面上
に転写した格子線（変形情報を得るための格子線）のこ
とを断面格子線、新たに重ね合わせた正方格子線群のこ
とを正方解析格子線（数値解析を行うための格子線）と
呼ぶことにする。前者は、変形が進行するに伴いその形
状・模様が変化（図１２）するが、後者は、数学的に数
値解析用に設けられた格子であるので変形に関係なく形
状は変化しないが、サンプル断面の自由表面輪郭を囲む
ように重ね合わせる必要があるので、変形が進行するに
伴い、その囲むべき領域のサンプル断面の自由表面輪郭
も刻々と変化するから、正方解析格子の枠組みの大きさ
も変化させねばならない。この自由表面輪郭の非定常変
形過程を数学的に認識させる点が解析上工夫を要する点
の一つであったが、本システムの非定常変形解析プログ
ラム８０では、デジタイザ７３で読み取ったサンプル断
面の自由表面の変化を示す座標値と後述する正方解析格
子線の格子線間隔によって決定される格子点の位置とか
ら、自由表面の位置がその時どの正方解析格子内に存在
するかを検索し認識させる手法を用いて解決した。

【００３２】その正方解析格子線は数学的には次の第４
式、第５式で表わされる。ｘ−ｙ直行座標系において、

【００３３】

【００３４】したがって格子線間隔は

【００３５】

【００３６】であり、ΔＣは任意定数で非定常変形解析
プログラムでは解析精度に応じてΔＣの値を大きく設定
したり、小さくしたりできるようになっている。数学的
には差分計算を行うための差分スキームの差分間隔に相
当する。このような正方解析格子線すなわち特性曲線群
を用いるのは、元来、びずみ速度は、ある点における速
度ベクトルの同位置変数の１階偏微分系で与えられるの
で、これを常微分形に変換して数値計算が容易になるよ
うにするためである。つまり、断面格子線の各格子点が
任意の変形段階で持つ速度ベクトルをそれぞれ正方解析
格子線上の各格子点上へ補間計算すると、補間後の速度
ベクトルの値と同格子点の位置とから正方解析格子線す
なわち特性曲線群の上記式に沿って差分計算でひずみ速
度を求めることができるようになる。その時得られる常
微分方程式は次の第６式となる。

【００３７】

【００３８】さらにこれらをひとつのパラメータとして
等価的に表わした相当ひずみ速度を求めると次の第７式
となる。

【００３９】

【００４０】この第７式を全格子点について等しく適用
し求める。

【００４１】そして、この第７式の相当ひずみ速度から
変形挙動と接合過程を結びつける重要なパラメータであ
る相当ひずみ（εバー）を算出する。相当ひずみが接合
部の特に接合面に大きく発生しているとその部分の接合
強度も大きい関係にある。言い換えると接合に必要な新
生面が多数出現し、活性の高い面どうしが互いに物質移
動によって強く結びつく環境にあることを示している。
従って、これとどのような材料、どのような条件下にお
いても一義的に定量的に比較し得るパラメータとして相
当ひずみが意味を持つことになる。この相当ひずみは、
対象としている任意の変形段階において、次の第８式で
求めることができる。

【００４２】

【００４３】実際には上式を変形段階の時間軸に沿った
数値積分にて行う。続いて変形抵抗の計算に移る。

【００４４】まず、対象を変形モデル材とするか実材料
とするかを選択する。変形モデル材を選んだ場合には、
本システムによる実験を行った時、あらかじめ測定して
おいた同材料の変形抵抗曲線のデータをフロッピーディ
スク装置７２より選び出し、同データ（数値データ）を
用いて前述した相当ひずみ速度，相当ひずみの分布及び
必要ならば実験時の温度Ｔをもとにしてこの時に対応す
る接合領域の変形抵抗分布を求める。同時にこの変形抵
抗分布をもとにバンプモデルサンプル３２の底面に発生
する面圧分布を算出する。面圧分布は変形抵抗分布の反
作用として働いていることから簡単に求められ、さら
に、プレス時の荷重（全圧下力）ｐとの間に次の第９式
の関係を満足しているかどうかで力の釣り合いを確認で
きる。

【００４５】

【００４６】上述した分布の模様はコンピュータ７１上
でグラフィック表示される。

【００４７】次に実材料を選んだ場合も、実材料に関す
る一般的な単軸圧縮試験機かもしくは、微小領域に微小
荷重を負荷してその時の微小変位を検出できる微小荷重
圧縮試験装置等にてバンプ４，リード３などの微小構造
を形成するめっき膜などの薄膜形成材の機械的性質・変
形抵抗曲線を求め、変形抵抗式を決定し、これを解析プ
ログラム中に組み込んで、変形モデル材の接合過程にお
ける接合領域のひずみ速度，ひずみ，温度Ｔの各変化か
ら実材料の変形抵抗式と加工硬化率式に基づく変形抵抗
推算法を用いて変形抵抗変化を算定し同分布を得る。以
下、面圧分布を求めて、その様子をグラフィック表示
し、検討を加える。

【００４８】以上に述べた解析過程により、接合に寄与
する相当ひずみの発生のコントロールと半導体装置を構
成する基板（ペレット）に対する機械的ダメージのコン
トロールを同時に行えることになり、そのために必要な
諸条件の設計，治工具の設計，材料の変形特性の設計の
指針を得ることができるようになる。

【００４９】そこで、次は、本システムを用いての設計
・評価の流れを示しておく。図１０にその流れを図示し
てある。

【００５０】まず、上型ポンチの動特性の設計をプレス
動特性生成プログラム９１と中央処理装置部７０でもっ
て、変位（圧下量）−時間曲線（第１式），プレス速度
−時間曲線（第２式），プレス荷重−時間曲線（第３
式）をグラフ化しながらプロファイル設計を行う。これ
は、実製品のボンディングプロセス条件の設計に相当す
る。

【００５１】次に、上型ポンチの形状・性状の設計を行
う。上型ポンチ１３は、図１３に正面図（Ａ）、側面図
（Ｂ）で示したプレス機構部において上型１３ａに固定
されている。これは取りはずしが自由な構造になってい
るので上型ポンチ１３をいろいろ変えて実験できる。図
１６〜図２１のそれぞれにいくつかの例を正面図（Ａ）
および側面図（Ｂ）で示してある。いずれも圧着面とな
る部分に工夫が施されており、特に図２１はワイヤボン
ディングのキャピラリを模していて、同ボンディング過
程も実験できることを示している。これらは、すべて、
接合領域における接合性に影響を与えるメタルフロー
（Ｍｅｔａｌ ｆｌｏｗ）の制御並びに変形形状・変形
量の制御を目的として設計されたものであって、同形状
・性状は、同図に例示してあるものに限定されない。言
うまでもなく上型ポンチ１３の設計は、ボンディングツ
ール・治工具の設計に相当する。

【００５２】次に、変形モデル材料（本例ではプラステ
ィシン）の変形特性の設計を行う。設計方法は、解析過
程の説明にて述べておいた方法を用いる。同特性につい
ての定量的把握も前述した通りである。これは、実材料
における変形特性の設計に相当する。

【００５３】次に、バンプモデルサンプル３２，リード
モデルサンプル３１の構造・寸法形状の設計を行う。こ
れも接合性に寄与するようなメタルフロー制御と変形形
状の制御のためとできる限り半導体装置に与えるダメー
ジを少くし、製造時に投入する加工動力を低減（例え
ば、より低荷重でかつより低温加熱で）させるために行
う工夫である。これは、そのまま、実製品におけるバン
プ４，リード３の構造・寸法形状の設計にフィードバッ
クできる。

【００５４】最後に、実際の製造時において、その許容
条件の範囲を設定しておく必要がある。図４，図５に
て、ボンディングツール１，１′の当たり具合やリード
３，バンプ４のそれぞれが重なっている面積の相対的位
置ずれによる変化などのことで、例えば位置ずれに対
し、前述の相当ひずみの発生状況や面圧分布の様相の相
違などから設定の良否を検討することになる。

【００５５】以上の様な設計仕様下にて、前述した解析
実験を適用し、その良否を検討していくことになる。こ
れは、従来の実製品を用いることで試作しながら決定し
ていくしか他に方法がなかった評価過程に対応してお
り、又、従来の試作評価では得られない客観的・定量的
情報を得られ、設計指向に沿った設計が行える利点を有
するものである。

【００５６】本システムの最後に、面圧分布測定用の受
圧センサ板４１について、その構造を説明する。

【００５７】図２２の上面図（Ａ）および正面図（Ｂ）
を参照し、受圧センサ板４１は、受圧センサ４１ａ（例
えば、共和電業製超小型圧力変換器ＰＳ−Ｂなど）を用
いて受圧センサ埋込み長尺板４１Ｃにセンサ受圧面４１
ｂが同長尺板の面に面一になるように埋め込む。そして
同長尺板４１Ｃにその長手方向に一次元配列となるよう
に数個配列し、これと同じ寸法の長尺板を準備し、これ
には、同センサ４１ａを１個ずつ同センサ１個分の直径
分だけずらした位置に埋め込んだものを数組準備する。
長尺板４１Ｃには、長尺板固定用キー及びキー溝７１ｄ
が設けてあって、このキー及びキー溝によって互いに固
定されると同時に、長尺固定枠４１ｅにも固定される。
キー及びキー溝で固定されているためこれを案内として
スライドさせることにより取りはずしが自由となってい
る。従ってこの長尺板４１Ｃを差し込む位置を他の残り
の長尺板と入れ換える形で置き換えることで、受圧セン
サ板４１上の面を走査するように動かせることになる。
そして、その度ごとに、同じ条件下で実験を繰り返すこ
とにより、面圧分布の２次元的情報を得ることができ
る。同構造にした理由は、受圧センサ板４１ａのコスト
を下げることとメンテナンスを便利よく行えるようにす
るためである。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように本発明は前述した構
成により、実製品または、それに近い形態の試作品を用
いた全製造プロセスを経る必要のある評価過程を極力低
減させることができて、試作コストの低減とＴＡＴの短
縮に有効であると同時に、半導体装置及びその製造方法
に関する設計手法や改善部分に関する具体的な情報など
を理論的・定性的かつ定量的に提示することが可能であ
る上、設計の最適化の過程が体系化されているので、熟
練者による試行錯誤の過程が不必要となり、設計指向に
沿った設計指針を得ることができる。また、本システム
を用いることで、従来の計算力学的手法（ＦＥＭ解析な
ど）に随伴していた実用性・適用性の面の問題点を解決
できて、生産技術者にとって設計のよりどころとなる設
計支援ツールを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の実施例を示すシステム構成図で
ある。

【図２】本発明の第２の実施例を示すシステム構成図で
ある。

【図３】従来の設計過程の流れを示すフローチャートで
ある。

【図４】一括ボンディングを示す概略図である。

【図５】シングルポイントボンディングを示す概略図で
ある。

【図６】本発明における解析・実験の手法をその過程に
沿って記述したフローチャートである。

【図７】図６の続きのフローチャートである。

【図８】図７の続きのフローチャートである。

【図９】図８の続きのフローチャートである。

【図１０】本発明における解析・実験の手法を適用しな
がら行う本発明における設計・評価の最適化の手法を記
述したフローチャートである。

【図１１】上述した手法において用いられる変形モデル
材料（本実施例の場合はプラスティシン）によって形成
されたリード・バンプのモデルサンプルを示す図であ
り、またその任意断面（図では２つの互いに直交する断
面が例示してある）には格子模様が描かれることを説明
した図である。

【図１２】上型ポンチ１３によってリードモデルサンプ
ル３１，バンプモデルサンプル３２が圧下されて変形が
進展していく様子とそれに伴う格子線の変化の様子を模
式的に描いた図である。

【図１３】図１で示した本発明の第１の実施例における
プレス機構部を主に示した図であり、（Ａ）は正面図、
（Ｂ）は側面図である。

【図１４】図１で示した本発明の第１の実施例における
アクチュエータに空気アクチュエータを用いた時の配管
図である。

【図１５】図１で示した本発明の第１の実施例における
センサ部２０，計装部６７および中央処理装置部７１の
詳細なシステム構成図である。

【図１６】上型ポンチの圧着面形状の例を示す図であ
り、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。

【図１７】上型ポンチの圧着面形状の例を示す図であ
り、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。

【図１８】上型ポンチの圧着面形状の例を示す図であ
り、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。

【図１９】上型ポンチの圧着面形状の例を示す図であ
り、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。

【図２０】上型ポンチの圧着面形状の例を示す図であ
り、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。

【図２１】上型ポンチの圧着面形状の例を示す図であ
り、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。

【図２２】受圧センサー板を示す構造図であり、（Ａ）
は上面図、（Ｂ）は正面図である。

【符号の説明】

１ 一括ボンディングツール １′ シングルポイントボンディングツール ２ 一括ボンディングツールの圧着面 ３ フィルムキャリアテープ（ＴＡＢテープ）のリー
ド ４ バンプ ５ ペレット ６ ボンディングステージ １０，１０′ プレス機構部 １１ シリンダ（空気アクチュエータ） １１ａ ピストン位置センサ １１′ パルスモータ（電動アクチュエータ） １２，１２′ ピストン １３，１３′ 上型ポンチ １４′ ピニオン １５′ ラック １３ａ 上型 １３ｂ ガイド溝 １３ｃ ブッシュ １３ｄ ストッパ １３ｅ ストッパ受け ２０，２０′ プレスセンサ部 ２１，２１′ 変位形，変位センサ ２２，２２′ ロードセル ２２ａ ロードセルアタッチメント ２３′ 速度センサ ３０ モデル材料サンプル ３１ リードモデルサンプル ３２ バンプモデルサンプル ３３ サンプル断面コピー写真 ４０ ステージ部 ４１ 受圧センサ板 ４１ａ 受圧センサ ４１ｂ センサ受圧面 ４１ｃ 受圧センサ埋込み長尺板 ４１ｄ 長尺板固定用キー ４１ｅ 長尺固定枠 ４１ｆ キー ４１ｇ キー溝 ５０，５０′ プレス制御部 ５１ 電磁弁 ５１ａ 直動弁 ５１ｂ 逆止め弁つき流量調整弁 ５１ｃ ハイリリーフレギュレータ ５２ ゲージ ５３ 電空レギュレータ ５４ プレス制御用コントローラ ５１′ レゾルバ ５２′ 加減速回路 ５３′ Ａ／Ｄ変換器 ５４′ コンパレータ ５５′ 可変周波数パルス発振器 ６０ 計装部 ６１ アンプ ６１ａ シグナルコンディショナ ６１ｂ 変位計アンプ ６１ｃ 多チャンネルオペアンプ ６２ 計装系 ６２ａ デジタルメモリ ６２ｂ ストレージスコープ ７０ 中央処理装置部 ７１，７１ａ コンピュータ，ＰＣ−９８０１パーソ
ナルコンピュータ ７２ フロッピーディスク装置 ７３，７３ａ デジタイザ，ＫＬ−４０００ ７４，７４ａ ｘ−ｙプロッタ，ＭＰ−４３００

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/603 H01L 21/60 311 H01L 21/60 321

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
   製造方法の設計支援システムにおいて、 シリンダ・ピストン機構又は速度制御可能なサーボ機構
   等が付加されたラック・ピニオンなどの歯車等による動
   力伝達機構か又は、送りねじ機構等によるプレス機構部
   と、 前記プレス機構部の駆動動力の大きさやプレス時のスピ
   ードを制御するプレス制御部と、 前記プレス機構部に付加される加速度計，ロードセル，
   変位計等のプレス過程に伴う諸力学量，幾何学量を計測
   するプレスセンサー部と、 前記プレス機構部の一部に付加される半導体製造装置の
   ボンディングツールに相当する圧着面に平坦又は凹凸ま
   たはテーパー等の加工が施された上型ポンチ部と、 前記上型ポンチのプレス量を任意に変えられるストッパ
   部と、 前記上型ポンチがプレス過程によって圧下・変形を与え
   る、前記突起型電極と前記フィルムキャリアテープのリ
   ードを模して拡大して作られた任意断面に格子線が描か
   れた変形モデル材料によるサンプルと、 前記モデル材料によるサンプルを支持し、前記上型ポン
   チにて該サンプルをプレスした時の該サンプルの底面に
   発生する面圧分布を検知する受圧センサーが格子点状に
   展開されているか又は、ある直線上に一次元配列されて
   いる受圧センサー板と、 前記受圧センサー板が組み込まれていて、前記上型ポン
   チが鉛直下方にプレスするようにガイド棒を設けたステ
   ージ部と、 前記プレスセンサー部及び受圧センサー板より出力され
   る過渡現象下の各電圧変化を実時間で読み取り記憶保持
   する計装部と、 前記計装部を制御し、プレス過程の過渡現象を示す前記
   電圧変化を実際の諸力学量及び幾何学量に校正し、併せ
   て該校正後のデータをフロッピディスク等の周辺装置上
   へ保存しディスプレイ画面上あるいはプリンタ上へグラ
   フ化してグラフィック出力を行わせて定量的にプレス特
   性を再現・編集する一連の諸手続き及び該手続きが内外
   の記憶装置部等に組み込まれていて諸手続きが管理実行
   されるパーソナルコンピュータ等の中央処理装置部と、 前記中央処理装置部にて実行される、前記プレス特性を
   ディスプレイ画面上で対話式に任意に設計し、前記プレ
   ス制御部へ該情報を転送する一連の諸手続き手段と、 前記モデル材料のサンプルの断面にあらかじめ描かれて
   いた格子線のプレス前のパターン及び任意の各プレス段
   階における該格子線のパターンを写しとったコピー写真
   手段と、 前記格子線のパターンを前記コピー写真手段からｘ−ｙ
   直交座標系の座標値として読みとるイメージスキャナ等
   の画像取込み装置もしくはデジタイザ等のポインティン
   グデバイスと、 前記画像取込み装置又はポインティングデバイスを制御
   し、前記格子線の格子点の各座標値のデータから、格子
   線解析法による非定常変形解析を行う数値解析プログラ
   ムとを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法の
   設計支援システム。