JP7607541B2

JP7607541B2 - 半導体製造装置および半導体装置の製造方法

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Publication number: JP7607541B2
Application number: JP2021158044A
Authority: JP
Inventors: 成徳山口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2024-12-27
Anticipated expiration: 2041-09-28
Also published as: JP2023048621A

Description

本開示は、半導体製造装置および半導体装置の製造方法に関するものである。

従来、半導体素子を搭載した導電性のリードフレームが絶縁樹脂に封止されている半導体装置がある。

例えば特許文献１には、小容量（小型）の半導体装置のリードフレームへのワイヤボンディング装置が開示されている。特許文献１に記載の技術では、ワイヤボンディング時に、ボンディング台とボンディング台に対向するように配置されたリード押えとでリードフレームが固定されている。

特開平４－３４０２３８号公報

しかしながら、大容量（大型）の半導体装置にワイヤボンディングを行う場合にはリードフレームも大型となるため、特許文献１に記載の技術ではリードフレームのサイズと比較してリード押えのサイズが小さいことから、リードフレームをしっかりと固定することができない。

そのため、特許文献１に記載の技術では、ワイヤボンディング時の超音波振動がリードフレームに正しく伝わらず、ワイヤボンディングの接合強度が安定しないという懸念がある。

そこで、本開示は、大容量の半導体装置の場合にも、安定したワイヤボンディングの接合強度を得ることが可能な技術を提供することを目的とする。

本開示に係る半導体製造装置は、上面にリードフレームを配置するための受け台と、前記受け台の上側に配置され、前記受け台とで前記リードフレームを固定する固定治具と、前記固定治具の外周部を保持する第１のテーブルと、前記固定治具の開口部を介して前記リードフレームの位置を示す第１の位置情報を検出する画像処理カメラと、前記第１のテーブルに取り付けられた第１のボールねじと、前記第１のボールねじを回転させることで前記第１のテーブルと共に前記固定治具を横方向に移動させる第１のモーターと、前記画像処理カメラにより検出された前記第１の位置情報に基づいて、前記第１のモーターの駆動を制御する制御部と、を備え、前記固定治具は、前記リードフレームの上面を保持する本体部と、前記リードフレームにおけるワイヤボンディングが行われる領域であるワイヤボンディング領域を露出する前記開口部と、前記開口部において前記リードフレームの前記ワイヤボンディング領域を前記受け台側に押えるリードフレーム押えとを有するものである。

本開示によれば、大容量の半導体装置の場合にも、固定治具が有するリードフレーム押えによってリードフレームのワイヤボンディング領域をしっかりと固定することができる。これにより、ワイヤボンディング時の超音波振動がリードフレームに正しく伝わり、安定したワイヤボンディングの接合強度を得ることができる。

実施の形態に係る半導体製造装置の全体を示す概略図である。実施の形態に係る半導体製造装置の要部を示す上面図である。実施の形態に係る半導体製造装置の要部を示す側面図である。実施の形態に係る半導体製造装置の要部から固定治具および第１のＸ－Ｙテーブルを省略した状態を示す上面図である。実施の形態に係る半導体製造装置の要部から固定治具および第１のＸ－Ｙテーブルを省略した状態を示す側面図である。受け台の他の例を示す上面図である。受け台の他の例にリードフレームが配置された状態を示す断面図である。受け台のさらに他の例を示す上面図である。固定治具の位置調整を行う際のモニター画面の表示を示す図である。実施の形態に係る半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。

＜実施の形態＞
＜半導体製造装置の構成＞
実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態に係る半導体製造装置１の全体を示す概略図である。

図１に示すように、半導体製造装置１は、筐体１ａと、受け台８と、固定治具７と、搬送レール６と、ボンディングヘッド４と、モニター５と、ローダー２と、アンローダー３とを備えている。半導体製造装置１は、小容量（小型）の半導体装置および大容量（大型）の半導体装置にワイヤボンディングを行うことが可能な装置である。

筐体１ａの内部には、板状の受け台８と、板状の固定治具７と、搬送レール６と、ボンディングヘッド４が収容されている。ローダー２と、アンローダー３と、モニター５は、筐体１ａの外部に配置されている。

受け台８は、上面にリードフレーム９を配置するための部材である。搬送レール６は、受け台８の上面を介してローダー２とアンローダー３との間に配置されている。搬送レール６は、ローダー２に配置されたリードフレーム９にワイヤボンディングを行うために、リードフレーム９をボンディングヘッド４の下側に移動させるように搬送し、ワイヤボンディングが完了したときにアンローダー３へリードフレーム９を搬送する。

固定治具７は、受け台８の上側に配置され、受け台８とでリードフレーム９を固定する。固定治具７の詳細については後述する。

ボンディングヘッド４は、固定治具７の上側に配置され、リードフレーム９にワイヤボンディングを行うために上下方向および左右方向に移動可能である。モニター５は、筐体１ａの外面に取り付けられ、ワイヤボンディングに関するプログラム情報および進捗状況を表示する。これにより、使用者は、外部からワイヤボンディングに関するプログラム情報および進捗状況の確認が可能である。

なお、リードフレーム９には、数Ａ以上数百Ａ以下の通電が可能なパワー半導体素子（図示せず）が１つまたは複数搭載されていてもよい。また、大容量の半導体装置に対してワイヤボンディングを行う場合、ボンディングヘッド４には、直径１００μｍ以上の金、銀、銅またはアルミニウムのワイヤをセットすればよい。

図２は、半導体製造装置１の要部を示す上面図である。具体的には、ボンディングヘッド４側からリードフレーム９側を視た図面である。

図２に示すように、固定治具７は、受け台８の上面に配置されたリードフレーム９の上面に配置され、受け台８とでリードフレーム９を固定する。固定治具７は、上面視で矩形状の本体部７ａと、開口部７ｂと、リードフレーム押え１５とを備えている。

本体部７ａの中央部には、上面視で矩形状の開口部７ｂが形成されている。開口部７ｂは、リードフレーム９におけるワイヤボンディングが行われる領域であるワイヤボンディング領域を露出している。これにより、固定治具７を装着した状態でワイヤボンディングを行うことが可能である。

また、受け台８は上面視で矩形状に形成されており、受け台８の上面視輪郭は開口部７ｂの上面視輪郭よりも大きい。さらに、本体部７ａの上面視輪郭は受け台８の上面視輪郭よりも大きい。これにより、本体部７ａと受け台８とでリードフレーム９におけるワイヤボンディング領域の周辺部を固定することが可能である。

リードフレーム９はプレス加工等により、回路（図示せず）を形成するように切り抜かれているため、リードフレーム９の剛性は低い。すなわち、ワイヤボンディング時にボンディングヘッド４から出力される超音波振動がリードフレーム９に正しく伝わりにくい状態である。半導体装置が大容量である場合、パワー半導体素子のサイズも大きく、さらにパワー半導体素子が複数搭載されていると、ワイヤボンディングされる本数も増え、ひいてはワイヤボンディング領域も大きくなる。

このように、大容量の半導体装置では開口部７ｂが広くなることから、特に開口部７ｂの中央付近にワイヤボンディングを行う場合は、ワイヤボンディング時にボンディングヘッド４から出力される超音波振動がリードフレーム９における開口部７ｂの中央付近に対応する位置に正しく伝えられず、ワイヤボンディングの接合強度が安定しない。

この問題を解消するために、本実施の形態では、開口部７ｂの開口端から内周側に突出する棒状のリードフレーム押え１５が７つ設けられている。７つのリードフレーム押え１５は、ワイヤボンディング領域のうちの、実際にワイヤボンディングが行われる箇所であるワイヤボンディング箇所の周辺を押えることが可能なように配置されている。７つのリードフレーム押え１５は、開口部７ｂにおいて剛性の低いリードフレーム９のワイヤボンディング領域をボンディングヘッド４側から搬送レール６側（すなわち、受け台８側）に押える。これにより、剛性の低いリードフレーム９においても、ボンディング時にボンディングヘッド４から出力される超音波振動がリードフレーム９に正しく伝わるため、ワイヤボンディングの接合強度を安定させることが可能である。

なお、図２ではリードフレーム押え１５は７つ示されているが、リードフレーム押え１５の個数は１つ以上であればよく、リードフレーム押え１５をワイヤボンディング箇所の周辺に配置することで接合強度をさらに安定させることが可能である。また、リードフレーム押え１５は棒状以外の形状であってもよい。

また、リードフレーム押え１５は着脱可能であってもよいし、リードフレーム押え１５は開口部７ｂの開口端と一体的に設けられていてもよい。リードフレーム押え１５が着脱可能である場合は、開口部７ｂの開口端における所望の位置にリードフレーム押え１５が装着されてもよい。さらに、開口部７ｂの開口端に対してリードフレーム押え１５を着脱可能とする構成としては、各種嵌め込み構造等、種々の着脱可能な構成を採用することが可能である。

次に、受け台８および固定治具７の位置調整を行うための構造について説明する。図３は、半導体製造装置１の要部を示す側面図である。図４は、半導体製造装置１の要部から固定治具７および第１のＸ－Ｙテーブル１３ａを省略した状態を示す上面図である。図５は、半導体製造装置１の要部から固定治具７および第１のＸ－Ｙテーブル１３ａを省略した状態を示す側面図である。

図２と図３に示すように、半導体製造装置１はさらに、第１のＸ－Ｙテーブル１３ａ（第１のテーブルに相当）と、画像処理カメラ１４と、第１のＸ－Ｙボールねじ１１ａ（第１のボールねじに相当）と、第１のＸ－Ｙモーター１０ａ（第１のモーターに相当）と、制御部１７と、第２のＸ－Ｙテーブル１３ｂ（第２のテーブルに相当）と、第２のＸ－Ｙボールねじ１１ｂ（第２のボールねじに相当）と、第２のＸ－Ｙモーター１０ｂ（第２のモーターに相当）と、センサー１６とを備えている。

制御部１７は、自身が有するメモリに記憶されたワイヤボンディングに関する制御プログラムに基づいて、半導体製造装置１の各部を制御する。制御部１７は例えばプロセッサーである。

第１のＸ－Ｙテーブル１３ａは、上面視で矩形枠状に形成されている。第１のＸ－Ｙテーブル１３ａの開口部１３ａ１には、受け台８の下端部を除く部分が配置されており、第１のＸ－Ｙテーブル１３ａの上面と受け台８の上面は同じ高さ位置に位置している。第１のＸ－Ｙテーブル１３ａにおける矩形枠状の上面には、リードフレーム９を介して固定治具７が配置されている。そのため、固定治具７の外周部は第１のＸ－Ｙテーブル１３ａに保持されている。

第１のＸ－Ｙテーブル１３ａの少なくとも隣接する二辺には、第１のＸ－Ｙボールねじ１１ａおよび第１のＸ－Ｙモーター１０ａが１セットずつ取り付けられており、第１のＸ－Ｙボールねじ１１ａは、第１のＸ－Ｙモーター１０ａの駆動により回転する。第１のＸ－Ｙモーター１０ａの駆動は制御部１７により制御される。

第１のＸ－Ｙボールねじ１１ａを回転させることで、第１のＸ－Ｙテーブル１３ａはＸ－Ｙ平面上を移動することが可能である。第１のＸ－Ｙテーブル１３ａを移動させることで第１のＸ－Ｙテーブル１３ａの上側に配置されている固定治具７もＸ－Ｙ平面上を移動させることが可能である。ここで、Ｘ－Ｙ平面とは水平方向（横方向）の面である。すなわち、第１のＸ－Ｙテーブル１３ａは固定治具７をＸ－Ｙ平面上に移動させるためのテーブルである。

画像処理カメラ１４は、固定治具７の上側に配置されており、固定治具７の開口部７ｂを介してリードフレーム９の位置を示す第１の位置情報を検出する。制御部１７は、画像処理カメラ１４により検出された第１の位置情報に基づいて、第１のＸ－Ｙモーター１０ａの駆動を制御することで、固定治具７のＸ－Ｙ平面上での位置合わせを行う。

図３～図５に示すように、第２のＸ－Ｙテーブル１３ｂは、上面視で矩形状に形成され、第１のＸ－Ｙテーブル１３ａの下側に配置されている。第２のＸ－Ｙテーブル１３ｂの上面には、受け台８が配置されている。第２のＸ－Ｙテーブル１３ｂの少なくとも隣接する二辺には、第２のＸ－Ｙボールねじ１１ｂおよび第２のＸ－Ｙモーター１０ｂが１セットずつ取り付けられており、第２のＸ－Ｙボールねじ１１ｂは、第２のＸ－Ｙモーター１０ｂの駆動により回転する。第２のＸ－Ｙモーター１０ｂの駆動は制御部１７により制御される。

第２のＸ－Ｙボールねじ１１ｂを回転させることで、第２のＸ－Ｙテーブル１３ｂはＸ－Ｙ平面上を移動することが可能である。第２のＸ－Ｙテーブル１３ｂを移動させることで第２のＸ－Ｙテーブル１３ｂの上面に配置されている受け台８もＸ－Ｙ平面上を移動させることが可能である。すなわち、第２のＸ－Ｙテーブル１３ｂは受け台８をＸ－Ｙ平面上に移動させるためのテーブルである。なお、受け台８と第２のＸ－Ｙテーブル１３ｂは一体的に設けられていてもよい。

センサー１６は、第２のＸ－Ｙテーブル１３ｂの周辺に配置されており、第２のＸ－Ｙテーブル１３ｂの位置を示す第２の位置情報を検出する。制御部１７は、センサー１６により検出された第２の位置情報に基づいて、第２のＸ－Ｙモーター１０ｂの駆動を制御することで、受け台８のＸ－Ｙ平面上での位置合わせを行う。

上記のように、受け台８は第１のＸ－Ｙテーブル１３ａの開口部１３ａ１に配置されており、受け台８がＸ－Ｙ平面上を移動したときに受け台８と第１のＸ－Ｙテーブル１３ａとが接触しないように、受け台８と第１のＸ－Ｙテーブル１３ａとの間にはクリアランスが設けられている。

次に、受け台８の上面の形状について説明する。図６は、受け台８の他の例を示す上面図である。図７は、受け台８の他の例にリードフレーム９が配置された状態を示す断面図である。図８は、受け台８のさらに他の例を示す上面図である。

リードフレーム９が平板状の場合は、受け台８の上面も平坦状にすることで、ボンディング時にボンディングヘッド４から出力される超音波振動がリードフレーム９に正しく伝わり、安定したワイヤボンディングの接合強度を得ることができる。

リードフレーム９が段差を有する場合は、図６と図７に示すように、受け台８の上面におけるリードフレーム９が配置される領域に、リードフレーム９の段差を収容可能な窪み８ａを設けることで、超音波振動が正しくリードフレーム９に伝わり、ワイヤボンディングの接合強度を安定させることが可能である。また、リードフレーム９の段差に合わせて受け台８をＸ－Ｙ平面上に移動させてもよい。

さらに、図８に示すように、複数の受け台８を連結させて複数のリードフレーム９を配置してもよい。

次に、固定治具７の初期位置の調整について説明する。図９は、固定治具７の位置調整を行う際のモニター画面の表示を示す図である。

固定治具７の初期位置の調整は、安定したワイヤボンディングの接合強度を得ることを目的として、リードフレーム９を毎回同じ位置で固定するために行われる。

制御部１７は、画像処理カメラ１４により検出された第１の位置情報を過去履歴として取得して学習し、過去履歴の学習結果に基づいて、固定治具７の初期位置を調整するように第１のＸ－Ｙモーター１０ａの駆動を制御する。すなわち、制御部１７は、過去履歴に基づいて、固定治具７の初期位置について予め微調整を行う。これにより、固定治具７の位置調整の頻度および位置調整量が減少することから、半導体装置の製造効率が向上する。

過去履歴の学習は、一例として機械学習および深層学習等のＡＩ（人工知能：Artificial Intelligence）分野の技術を用いて学習することが可能であり、これらを用いた場合は、より高度な学習が可能となる。

図９において、横軸はＸ軸、縦軸はＹ軸を示す。Ｘ軸とＹ軸の交点が左上にＸＹ座標として表示されている。また、左側の枠２０ａは固定治具７が配置されるべき正しい位置を示し、右側の枠２０ｂは固定治具７の現在の位置を示す。固定治具７の現在の位置とは、リードフレーム９上に固定治具７が配置され、固定治具７でリードフレーム９を押える前の固定治具７の位置である。

制御部１７は、右側の枠２０ｂを左側の枠２０ａに合わせるように、第１のＸ－Ｙモーター１０ａの駆動を制御する。次回のワイヤボンディングでは、制御部１７は、固定治具７を今回の位置調整量の分だけずらして配置するように、第１のＸ－Ｙモーター１０ａの駆動を制御する。

＜半導体装置の製造方法＞
次に、半導体製造装置１を用いた半導体装置の製造方法について説明する。図１０は、半導体製造装置１を用いた半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。

図１０に示すように、最初に、制御部１７は、リードフレーム９をローダー２から搬送レール６で搬送し、リードフレーム９を受け台８の上面に配置した後（ステップＳ１）、制御部１７は、固定治具７をリードフレーム９の上面に配置する。

次に、制御部１７は、リードフレーム９と受け台８の位置関係をセンサー１６で確認し、センサー１６により検出された第２の位置情報に基づいて、第２のＸ－Ｙテーブル１３ｂを移動させることにより、第２のＸ－Ｙテーブル１３ｂと共に受け台８の位置を調整する（ステップＳ２）。

次に、制御部１７は、画像処理カメラ１４により検出された第１の位置情報に基づいて、第１のＸ－Ｙテーブル１３ａと共に固定治具７の位置を調整する（ステップＳ３）。このとき、固定治具７の本体部７ａに設けられているリードフレーム押え１５の位置も調整される。

次に、制御部１７は、固定治具７をリードフレーム９に押し当てて固定治具７と受け台８とでリードフレーム９を固定した後（ステップＳ４）、リードフレーム９のワイヤボンディング領域の位置とサイズの情報を画像処理カメラ１４で確認し、ワイヤボンディングを実行する（ステップＳ５）。

次に、制御部１７は、固定治具７を上方に移動させてリードフレーム９に対する固定を解除した後（ステップＳ６）、リードフレーム９を搬送レール６でアンローダー３側へ搬送し、リードフレーム９をアンローダー３に収納する（ステップＳ７）。

最後に、リードフレーム９を封止樹脂で被覆させることにより（ステップＳ８）、半導体装置が完成する。

＜効果＞
以上のように、実施の形態に係る半導体製造装置１は、上面にリードフレーム９を配置するための受け台８と、受け台８の上側に配置され、受け台８とでリードフレーム９を固定する固定治具７とを備え、固定治具７は、リードフレーム９の上面を保持する本体部７ａと、リードフレーム９におけるワイヤボンディングが行われる領域であるワイヤボンディング領域を露出する開口部７ｂと、開口部７ｂにおいてリードフレーム９のワイヤボンディング領域を受け台８側に押えるリードフレーム押え１５とを有している。

したがって、大容量の半導体装置の場合にも、固定治具７が有するリードフレーム押え１５によってリードフレーム９のワイヤボンディング領域をしっかりと固定することができる。これにより、ワイヤボンディング時の超音波振動がリードフレーム９に正しく伝わり、安定したワイヤボンディングの接合強度を得ることができる。以上より、半導体装置の歩留り向上を図ることができる。

また、半導体製造装置１は、固定治具７の外周部を保持する第１のＸ－Ｙテーブル１３ａと、固定治具７の開口部７ｂを介してリードフレーム９の位置を示す第１の位置情報を検出する画像処理カメラ１４と、第１のＸ－Ｙテーブル１３ａに取り付けられた第１のＸ－Ｙボールねじ１１ａと、第１のＸ－Ｙボールねじ１１ａを回転させることで第１のＸ－Ｙテーブル１３ａと共に固定治具７を横方向に移動させる第１のＸ－Ｙモーター１０ａと、画像処理カメラ１４により検出された第１の位置情報に基づいて、第１のＸ－Ｙモーター１０ａの駆動を制御する制御部１７とをさらに備えている。

したがって、リードフレーム９と固定治具７との位置合わせの精度を向上させることが可能である。これにより、さらに安定したワイヤボンディングの接合強度を得ることができる。

また、半導体製造装置１は、上面に受け台８が配置された第２のＸ－Ｙテーブル１３ｂと、第２のＸ－Ｙテーブル１３ｂに取り付けられた第２のＸ－Ｙボールねじ１１ｂと、第２のＸ－Ｙボールねじ１１ｂを回転させることで第２のＸ－Ｙテーブル１３ｂと共に受け台８を横方向に移動させる第２のＸ－Ｙモーター１０ｂと、第２のＸ－Ｙテーブル１３ｂの位置を示す第２の位置情報を検出するセンサー１６とをさらに備え、制御部１７は、センサー１６により検出された第２の位置情報に基づいて、第２のＸ－Ｙモーター１０ｂの駆動を制御している。

したがって、受け台８とリードフレーム９との位置合わせの精度を向上させることが可能である。特に、リードフレーム９が段差を有し、受け台８に窪み８ａが形成された場合に有効であり、さらに安定したワイヤボンディングの接合強度を得ることができる。

また、制御部１７は、画像処理カメラ１４により検出された第１の位置情報を過去履歴として取得して学習し、過去履歴の学習結果に基づいて、固定治具７の初期位置を調整するように第１のＸ－Ｙモーター１０ａの駆動を制御している。

したがって、固定治具７の位置調整の頻度および位置調整量が減少するため、半導体装置の製造効率が向上する。

なお、実施の形態を適宜、変形することが可能である。

１半導体製造装置、７固定治具、７ａ本体部、７ｂ開口部、８受け台、９リードフレーム、１０ａ第１のＸ－Ｙ駆動用モーター、１０ｂ第２のＸ－Ｙ駆動用モーター、１１ａ第１のボールねじ、１１ｂ第２のボールねじ、１３ａ第１のＸ－Ｙテーブル、１３ｂ第２のＸ－Ｙテーブル、１４画像処理カメラ、１５リードフレーム押え、１６センサー、１７制御部。

Claims

上面にリードフレームを配置するための受け台と、
前記受け台の上側に配置され、前記受け台とで前記リードフレームを固定する固定治具と、
前記固定治具の外周部を保持する第１のテーブルと、
前記固定治具の開口部を介して前記リードフレームの位置を示す第１の位置情報を検出する画像処理カメラと、
前記第１のテーブルに取り付けられた第１のボールねじと、
前記第１のボールねじを回転させることで前記第１のテーブルと共に前記固定治具を横方向に移動させる第１のモーターと、
前記画像処理カメラにより検出された前記第１の位置情報に基づいて、前記第１のモーターの駆動を制御する制御部と、を備え、
前記固定治具は、前記リードフレームの上面を保持する本体部と、前記リードフレームにおけるワイヤボンディングが行われる領域であるワイヤボンディング領域を露出する前記開口部と、前記開口部において前記リードフレームの前記ワイヤボンディング領域を前記受け台側に押えるリードフレーム押えとを有する、半導体製造装置。
上面に前記受け台が配置された第２のテーブルと、
前記第２のテーブルに取り付けられた第２のボールねじと、
前記第２のボールねじを回転させることで前記第２のテーブルと共に前記受け台を前記横方向に移動させる第２のモーターと、
前記第２のテーブルの位置を示す第２の位置情報を検出するセンサーとをさらに備え、
前記制御部は、前記センサーにより検出された前記第２の位置情報に基づいて、前記第２のモーターの駆動を制御する、請求項１に記載の半導体製造装置。
前記制御部は、前記画像処理カメラにより検出された前記第１の位置情報を過去履歴として取得して学習し、前記過去履歴の学習結果に基づいて、前記固定治具の初期位置を調整するように前記第１のモーターの駆動を制御する、請求項２に記載の半導体製造装置。
請求項２または請求項３に記載の半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
（ａ）前記リードフレームを前記受け台の上面に配置する工程と、
（ｂ）前記固定治具を前記リードフレームの上面に配置する工程と、
（ｃ）前記センサーにより検出された前記第２の位置情報に基づいて、前記第２のテーブルと共に前記受け台の位置を調整する工程と、
（ｄ）前記画像処理カメラにより検出された前記第１の位置情報に基づいて、前記第１のテーブルと共に前記固定治具の位置を調整する工程と、
（ｅ）前記固定治具と前記受け台とで前記リードフレームを固定する工程と、
（ｆ）前記リードフレームの前記ワイヤボンディング領域にワイヤボンディングを行う工程と、
を備えた、半導体装置の製造方法。