专利名称：超声波焊接装置及方法
技术领域：
本发明一般地涉及用超声波将两个构件之间焊接的装置和方法。本发明特别涉及在制造半导体装置的工序中，用超声波进行引线焊接的装置和方法。
背景技术：
众所周知，一直以来半导体装置采用以导线连接在多根引线和半导体芯片的多个电极之间的结构。一般来说，对引线和半导体芯片的电极(以下称为被焊接物)的引线焊接是在使导线和被焊接物接触的状态下，用引线焊接装置把超声波施加到导线上来进行(例如，参照专利文献1特开平3-116963号公报)。本装置设有例如使导线插入穿过的毛细管，使该毛细管移动到焊接位置并把导线压紧在被焊接物上，在这个状态下使毛细管作超声波振动来进行焊接。为了高效地把超声波能量传递到焊接位置上，在引线焊接位置附近将引线承受构件和引线压紧构件在上下夹紧的状态下施加超声波。毛细管顶端沿引线的面方向上振动，为了防止引线和引线承受构件和/或压紧构件之间的滑动，在引线承受构件和/或压紧构件上进行了防滑加工和粗面化处理。
发明内容
本发明以提供具有对这些传统结构作了改良的结构的超声波焊接装置及方法为目的。
为达成上述目的，本发明的超声波焊接装置的第一形态的特征在于超声波焊接装置中设有，用以设置有多根引线的引线框的加热板，
用以对着加热板压紧引线框的一根或一根以上的引线的压紧构件，以及在使导线接触到安装在引线框上的半导体芯片的电极的状态下对该接触位置施加超声波能量来焊接所述电极和导线，同时在使导线接触到引线的状态下施加超声波能量来焊接所述引线和导线的焊接工具；所述压紧构件的引线压紧面的表面粗糙度被设定得大于加热板的引线承载面的表面粗糙度。
图1是表示涉及本发明的超声波焊接装置的实施例1的透视图。
图2是沿图1的II-II线的剖面图。
图3中，(a)表示引线的压紧构件与引线的接触区域的剖面图；(b)表示引线压紧构件的压紧面的形状的放大剖面图；(c)表示引线压紧构件的另一个压紧面的形状的放大剖面图。
图4是表示由超声波焊接装置的实施例1产生的引线焊接动作的各工序的剖面图。
图5是表示涉及本发明的超声波焊接装置的实施例2的部分放大透视图。
图6涉及本发明的超声波焊接装置的实施例3，其中(a)表示具有预定的表面粗糙度的加工面；(b)表示因磨损而没有达到预定的表面粗糙度的加工面。
符号的说明2超声波焊接装置、3引线框、4加热板、8圆锥形悬臂、10毛细管、11导线、14半导体芯片、14a电极、18引线、20a，20b引线承载面、22引线压紧构件、22a引线压紧面。
具体实施例方式
下面，参照
有关本发明的实施方式。
实施例1图1、2表示作为有关本发明的超声波焊接装置的实施例1的引线焊接装置。装置2是在超声波焊接的同时利用热压接，用导线连接安装在引线框上的半导体芯片的多个电极和引线框的多根引线的装置。其中设有置放引线框3的加热板4；内藏产生超声波振动的超声波振荡器(未图示)的焊接头6；从该焊接头6向预定的方向延伸的圆锥形悬臂8；固定于圆锥形悬臂8顶端，在与圆锥形悬臂垂直方向延伸的毛细管10。加热板4例如由SUS等的金属材料构成。在圆锥形悬臂8的后端固定有由压电元件构成的振动器(未作图示)，超声波振荡器对该振动器施加预定频率的电压，使振动器起振。在毛细管10内插入并穿过导线11(例如金线)。在以下的说明中，把圆锥形悬臂8的延伸方向定为X方向，把毛细管10的延伸方向定为Z方向。
焊接头6被设置在XY坐标台12上，当驱动XY坐标台12时，连接在圆锥形悬臂8顶端的毛细管10相对引线框3在X方向和Y方向移动。另外，圆锥形悬臂可以用Z方向驱动机构(未图示)相对于焊接头沿Z方向上下移动。驱动焊接头6的超声波振荡器时，圆锥形悬臂向X方向振动，从而毛细管10顶端在X方向振动。
引线焊接装置2设有电子高压放电电极(未作图示)。这个放电电极可用驱动机构(未图示)向毛细管10的正下方移动。如后面所述，在第一焊接(电极和导线的焊接)时，在由毛细管10伸出的导线11的顶端与电子高压放电电极之间施加高电压，使其发生放电，溶化导线11的顶端并在该顶端上形成圆球(未图示)。
在图例中，引线框3具有的形状是，被焊接了半导体芯片14的芯片垫16具有比周围的引线18部分低凹的形状，对应于这个形状，形成加热板4的引线框承载面20。亦即，承载面20由支持芯片垫16的第一承载面20a和支持引线18的第二承载面20b构成。第一和第二承载面20a、20b各自大致在XY平面的延伸面上。本实施例中，如后面所述，第二承载面20b被作表面加工，其表面粗糙度被设定在预定的范围内。
如图1所示，引线18设有多根，从四周包围芯片垫16。引线焊接时，引线18的上面用具有矩形框状的引线压紧面22a的引线压紧构件22压紧(为了容易图示，图1中对于引线压紧构件22，仅示出压紧面22a)。这时，引线压紧构件22由加压装置(未图示)压紧在加热板4的侧边。本实施例中，引线压紧面22a被表面加工，使其粗糙度比加热板4的第二承载面20b的表面粗糙度大。引线压紧构件22至少要在引线压紧面22a及其近傍由SUS等金属材料构成。
再有，半导体芯片和焊接线等构件在焊接工序之后要进行树脂密封，而形成在引线框的引线18之间的连接片24是为了在树脂密封时阻止树脂向引线框3周围流出的结构。
引线压紧面22a和第二承载面20b的表面加工方法不对本发明构成限制，例如可以采用喷丸、喷砂、气喷等工艺。作为代替它们的方法，也可以加工引线压紧面22a和/或第二承载面20b，使其沿与超声波振动方向(毛细管10的振动方向)大致垂直的方向形成多个沟槽。例如，图3是表示在压紧面22上作了这种加工的例子，图3(b)是压紧面22a有多个向垂直于振动方向的方向(垂直于纸面的方向)延伸的剖面为三角形的突起26的情况，图3(c)是压紧面22a有多个向垂直于振动方向的方向(垂直于纸面的方向)延伸的剖面为矩形突起28的情况。再有，在对引线压紧面22a和/或第二承载面20b施行上述的表面加工之后，也可进行氮化处理来提高加工面的硬度以抑制加工面的磨损，延长引线压紧构件22和/或加热板4的寿命。
下面，参照图1、2以及图4，就设有这种结构的引线焊接装置2的引线焊接动作进行说明。首先，把引线框3置放到加热板4上，把引线压紧构件22配置到引线框3上，使压紧面22a来到引线18的预定位置上。然后，以预定的压力把引线压紧构件22压紧在加热板4的侧边，用压紧构件22和加热板4夹住引线18。接着，把加热板4的表面加热到预定的温度。
另一方面，在电子高压放电电极(未图示)和从毛细管10的顶端伸出的导线11之间使其发生放电，在导线的末端形成圆球11a[参照图4(a)]。之后，驱动XY坐标台12，直至使保持在圆锥形悬臂的顶端的毛细管10移动到作为焊接位置的半导体芯片14的电极14a的上方[图4(a)]。然后，驱动Z方向驱动机构(未图示)，使毛细管下降，用预定的压力把圆球11a压紧在电极上[图4(b)]。同时，驱动超声波振荡器使毛细管10的顶端作超声波振动。由于加热板4的加热和由来自毛细管10负荷压力产生的热压接，导线11的圆球11a溶化在半导体芯片14的电极上。导线的溶化受到所施加的超声波能量的促进。这样一来，导线11就被连接到半导体芯片14a的电极上。
之后，一边将导线11从毛细管10导出，一边使毛细管10上升至预定的高度后，一边使其移动到作为第二焊接位置的引线18一侧，一边使毛细管10下降，形成预定形状的导线环。然后，用预定的压力把导线11压紧在引线18上[图4(c)]。同时，驱动超声波振荡器，使毛细管10的顶端超声波振动。于是，导线11由于超声波的作用和热压接，溶接在引线18上。
本实施例中，由于粗糙化了引线压紧构件22的引线压紧面22a和加热板4的第二承载面20b，结果使引线压紧构件22/加热板4和引线18之间的最大静摩擦力提高，从而在第二焊接(导线和引线的焊接)时，可以防止、抑制引线18相对于引线压紧构件22/加热板4的滑动。这样，可以防止由于施加为了把导线焊接到某个引线上的超声波能量，经由连接片24使已被连上导线的引线共振而造成导线断线。本实施例中，把加热板4的第二承载面20b的表面粗糙度做得比框压紧构件22的框压紧面22a的表面粗糙度小。因此，热压接的热可以从加热板4向引线框3充分传递。如此，依据本实施例，一方面可以确保从加热板4向引线框3的热传导性，另一方面也提高了引线压紧构件22产生的引线压紧效果。
(实验)本发明人在下述条件下，在引线焊接装置上进行了本实施例的第二焊接。
引线压紧面22a的表面粗糙度十点平均粗糙度Rz＝1.5μm、10μm、30μm第二承载面20b的表面粗糙度十点平均粗糙度Rz＝1.5μm接触到引线压紧构件22的各引线18的宽度1.0mm引线压紧构件22对加热板4的压力(每个半导体芯片14)20N左右引线18宽度为0.1～0.2mm，(每个半导体芯片14)50根加热板4的表面温度100～300℃超声波振荡器的振荡频率约60kHz毛细管10对引线18的压力100～2000mN毛细管10顶端的振幅0.1～2μm(实验结果)引线压紧面22a、第二承载面20b的Rz都是1.5μm的情况，在第二焊接中，焊接中的引线振动，这个振动传递到其它已焊接导线的引线上，有产生导线断线的情况。在引线压紧面22a的Rz为10μm，第二承载面20b的Rz为1.5μm的情况下，振动的传递程度下降，但还不能完全抑制振动。在引线压紧面22a的Rz为30μm，第二承载面20b的Rz为1.5μm的情况下，可以实质上抑制振动的传递，导线断线的发生率可大幅度降低。
这样一来，把引线压紧面22a的十点表面粗糙度Rz设定在10μm以上，理想的是设定在30μm以上，可以抑制、防止在第二焊接中的引线的振动(换言之，把超声波能量高效地变换成焊接能量)。但是，如果引线压紧面22a的Rz大于50μm，则由于引线压紧面22a的凹凸增大而不能充分确保引线压紧面积，最好是50μm以下。另外，应根据引线的根数、宽度来进行改变所需的Rz。例如，如果引线根数减少，即使加到引线压紧构件22的加热板4的压力是相同的，每一根引线的压力也增大，所以，即使Rz小于30μm，也可以充分抑制、防止第二焊接中的引线的振动。
加热板4的第二承载面20b的表面粗糙度是增加从加热板4向引线框3的热传导率的要点，表面粗糙度应尽可能小，十点平均粗糙度Rz最好在1.5μm以下。但是，如果第二承载面20b的Rz小于0.5μm，则引线在第二承载面20b上容易滑动，所以，最好在0.5μm以上。
再有，为了提高引线压紧构件22和引线18的最大静摩擦力，据认为应加大对引线压紧构件22的加压力，但如果加压力增大，则引线压紧构件22会产生挠性变形，引线压紧会有不充分(亦即不能均匀压紧各引线)的可能性。另外，为了提出高引线压紧构件22的刚性，据认为应增加引线压紧构件22的厚度，但为了避免与在引线压紧构件22上方进出的圆锥形悬臂发生干扰，上述厚度通常应在2～4mm的限度内。
本实施例中，以用毛细管的圆球焊接进行超声波焊接(换言之，本实施例中，以施加超声波能量焊接电极14a与导线11以及导线11与引线18的焊接工具至少包括焊头6、圆锥形悬臂8和毛细管10。)，但是，也可用楔形工具进行楔形焊接来取代上述方法。
实施例2图5表示本发明的超声波焊接装置的实施例2。在以下的说明中，与实施例1相同的构成构件用相同的符号表示。在本实施例中，作为超声波焊接装置的引线焊接装置设有AE(acoustic emission声发射)传感器30。该AE传感器30可以在对某一根引线18的第二焊接时，超声波振动传递到另一已焊完导线的引线上并产生振动(共振)时检测出该振动。引线焊接装置根据来自AE传感器30的检测信号，监视已焊接完导线的引线的共振，一旦发生共振，就会作为振动异常发生而停止焊接动作。
本实施例中，由于在振动异常发生时，立即检出并停止焊接动作，因此，可以防止导线的断线。
实施例3图6表示在图1所示的超声波焊接装置中另外设置的用以检测所述的引线压紧构件22的压紧面22a和加热板4的第二承载面20b的加工面的磨损程度的检测机构。该检测机构中设有激光传感器60，激光传感器60有向相对于加工面62成大致垂直的方向发射激光64的发射部分(未图示)和受光部分(未图示)。如图6(a)所示，如果加工面62有预定的表面粗糙度，则入射到加工面62的激光64被散射反射，而如图6(b)所示，若加工面由于磨损而接近于平滑，则由于受光部位接受的反射光的强度增加，根据来自传感器60的检测信号，可以检测磨损的程度。如果磨损的程度大，则把引线压紧构件22和/或加热板4更换成新的构件或对压紧面22a和/或承载面20b施行研磨，使其达到预定的粗糙度。
依据本实施例，通过监视加工面的磨损程度，可以抑制由于使用没有达到预定的表面粗糙度的加工面而发生焊接不良。
也可用发光二极管的光电传感器来取代激光传感器60作为发射部分的光源，根据反射光的强度变化来检测加工面的磨损程度。
依据本发明的超声波焊接装置和方法，可以一边确保从加热板向引线框的热传导，一边使由引线压紧构件产生的压紧效果得到提高而防止导线的断线，因此可以进行高可靠性的超声波焊接。
权利要求
1.一种超声波焊接装置，其特征在于其中设有，用以置放有多根引线的引线框的加热板，用以对着加热板压紧引线框的一根或一根以上的引线的加压构件，以及在使导线接触到安装在引线框上的半导体芯片的电极的状态下对该接触位置施加超声波能量来焊接所述电极和导线，同时在使导线接触到引线的状态下施加超声波能量来焊接所述引线和导线的焊接工具；所述压紧构件的引线压紧面的表面粗糙度被设定得大于加热板的引线承载面的表面粗糙度。
2.如权利要求1所述的超声波焊接装置，其特征在于所述压紧构件的引线压紧面的表面粗糙度为十点平均粗糙度Rz的约10μm以上、50μm以下。
3.如权利要求2所述的超声波焊接装置，其特征在于所述加热板的引线承载面的表面粗糙度为十点平均粗糙度Rz的约0.5μm以上、1.5μm以下。
4.如权利要求1所述的超声波焊接装置，其特征在于还设有焊接第一引线和导线时，检测经由导线连接于电极的第二引线的振动的检测装置；若所述检测装置检测到第二引线的振动异常，则停止第一引线和导线之间的焊接动作。
5.如权利要求1所述的超声波焊接装置，其特征在于设有对所述压紧构件的引线压紧面和/或加热板的引线承载面照射光，并检测其反射光的强度的传感器。
6.一种超声波焊接方法，其特征在于其中包括，将有多根引线的引线框置放到加热板上的工序，将引线框的一根或一根以上的引线通过压紧构件压紧在加热板上的工序，在使导线接触到安装在引线框上的半导体芯片的电极的状态下对该接触位置施加超声波能量来焊接所述电极和导线的工序，以及在使导线接触到引线的状态下对该接触位置施加超声波能量来焊接所述引线和导线的工序；所述压紧构件的引线压紧面的表面粗糙度被设定得大于加热板的引线承载面的表面粗糙度。
全文摘要
本发明提供确保从加热板向引线框的热传导性，同时提高由引线压紧构件产生的压紧效果来进行超声波焊接的装置。超声波焊接装置中设有置放有多根引线(18)的引线框的加热板(4)，将引线(18)压紧在加热板上的压紧构件(22)，以及焊接工具(8、10)。焊接工具(8、10)在使导线11接触到安装在引线框上的半导体芯片(14)的电极(14a)的状态下对该接触位置施加超声波能量，从而将所述电极(14a)和导线(11)焊接，并且在使导线(11)接触到引线(18)的状态下向该接触位置施加超声波能量，将引线(18)和导线(11)焊接。压紧构件22的引线压紧面22a的表面粗糙度设定得大于加热板(4)的引线承载面(20b)的表面粗糙度。
文档编号H01L21/607GK1531044SQ20031012073
公开日2004年9月22日 申请日期2003年11月25日 优先权日2003年3月12日
发明者冲田孝典 申请人:株式会社瑞萨科技