半导体装置及其丝焊方法与丝焊设备制造方法及图纸

目的在于提高微小丝焊焊接部的可靠性。在金属球３ｂ接触压焊区２后，将第１键合压力大幅度地提高到１２０ｇｆ，在金属丝３ａ与压焊区２的接合界面处使其相互迅速产生塑性流动。接着将第２键合压力控制为４０ｇｆ的低值，以确保与焊接核６ａ有关的金属球３ｂ与压焊区２的接触。其次，超声振动施加后，以１０～２０ｇｆ施加第３键合压力约１０ｍｓ，能够均匀地生长出多个岛状焊接部６ｂ。最后，以２５～４０ｇｆ施加第４键合压力约３～５ｍｓ，这样就能形成带状焊接部７。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及提高微细丝焊焊接部的可靠性的丝焊方法与丝焊，以及用上述丝焊方法与设备形成的半导体装置。以往，在半导体装置的组装工序中广泛使用热压焊和超声振动并用的方法，将金属丝压焊在半导体元件上的压焊区上。近年来随着压焊区的尺寸和间距的缩小，确立更加可靠的焊接牢固的丝焊方法是必要的。例如，图24给出了特开平4-279040号公报中所述的丝焊方法中的压力和超声加载时间与焊接时间的关系。此例中，在高压力和低压力B之间插入低压力A，低压力A是比低压力B较轻的另一压力，超声是在高压力时开始加上的。如上所述，在以往的丝焊方法中，从金属丝接触在压焊区上开始到加上超声之前的一段时间内焊接压力值是一定的。此方法存在如下问题如果将此时的压力设定为能形成焊接结那样的高值，金属丝的变形就会过大，如果将压力设定为能够抑制金属丝变形那样的低值，焊接结就不能充分形成。还有，在施加荷重时，还要同时施加超声振动，金属丝的变形过大问题就会更加严重，存在微细丝焊焊接部不能形成的问题。本专利技术是为了解决上述问题而提出的，且以下述内容为目的提供一种金属丝和压焊区的焊接部能充分形成焊接结、金属丝的变形能控制在适当范围、能提高微小丝焊焊接部的可靠性的丝焊方法及其装置，同时利用上述方法和装置能得到具有高可靠性焊接的高质量的半导体装置。与本专利技术有关的半导体装置由如下各部分组成半导体元件；通过管心键合剂与此半导体元件相连接的引线框；以及将半导体元件与引线框导电性连接的金属丝。半导体元件上设置的压焊区与金属丝的焊接部由多个岛状焊接部和包围全体岛状焊接部的带状焊接部构成。另外，引线框以Cu为主要成分，管心键合剂以树脂为主要成分。还有，金属丝以Au为主要成分，压焊区以AL为主要成分。本专利技术的丝焊方法是用压力和超声振动将金属丝焊接到半导体元件上设置的压焊区上。具体步骤是从金属丝接触压焊区开始到施加超声振动之前连续施加第一键合压力和比第一次键合压力轻的第二次键合压力，接着，在施加超声振动后，连续施加比第二次键合压力重约50％的第3键合压力，比第1键合压力轻但比第3次键合压力重的第4键合压力。另外，金属丝在与压焊区连接的末端形成金属球。另外，设定焊接压力值用金属球变形前的截面积除得的值如下第1键合压力为40～50mgf/μm2，第二键合压力为10～20mgf/μm2，第3键合压力为4～10mgf/μm2，第4键合压力为10～20mgf/μm2。还有，第1键合压力的施加时间在3ms以下，第3键合压力的施加时间是5～15ms，第4键合压力的施加时间是1～5ms。本专利技术的丝焊装置用压力和超声振动将金属丝焊接到半导体元件上设置的压焊区上，装置包括放置含有半导体元件的半导体装置的载物台；一边夹持金属丝一边使其在压焊区上定位，且施加压力和超声波的焊头；监视焊头的压力随时间变化的监视器；以及有表示压力值随时间变化和焊接部的强度以及变形量的关系的变换函数和变换表，根据监视器的结果计算其后的压力及超声振动的振幅，控制焊头的压力控制器及超声振幅控制器。〔附图说明图1〕表示说明本专利技术实施例1的丝焊方法用的半导体装置的结构，a是断面图，b是焊接部的局部断面图。〔图2〕是表示本专利技术实施例1的丝焊方法中施加压力及超声振动的时间与焊接时间之间的关系图。〔图3〕是表示实施例1中，210℃温度下第3压力施加后的焊接状态图。〔图4〕是表示实施例1中，230℃温度下第3压力施加后的焊接状态图。〔图5〕是表示实施例1中，250℃温度下第3压力施加后的焊接状态图。〔图6〕是表示实施例1中，280℃温度下第3压力施加后的焊接状态图。〔图7〕是表示实施例1中，210℃温度下，将超声振动的振幅减小40％的情况下第3压力施加后的焊接状态图。〔图8〕是表示实施例1中，280℃温度下，将超声振动的振幅减小40％的情况下第3压力施加后的焊接状态图。〔图9〕是表示实施例1中，210℃温度下，将第3压力施加时间设定为3ms时第3压力施加后的焊接状态图。〔图10〕是表示实施例1中，210℃温度下，将第3压力施加时间设定为5ms时第3压力施加后的焊接状态图。〔图11〕是表示实施例1中，210℃温度下，将第3压力施加时间设定为10ms时第3压力施加后的焊接状态图。〔图12〕是表示实施例1中，210℃温度下，将第3压力施加时间设定为30ms时第3压力施加后的焊接状态图。〔图13〕是表示实施例1中，210℃温度下，将第3压力施加时间设定为50ms时第3压力施加后的焊接状态图。〔图14〕是表示实施例1中，将第1压力和第2压力分别减小到100gf和30gf时第3压力施加后的焊接状态图。〔图15〕是表示实施例1中，将第3压力增大到30gf时第3压力施加后的焊接状态图。〔图16〕是表示将图3中的210℃温度下焊接的样品在150℃高温下存放15个小时后的焊接状态图。〔图17〕是表示将图3中的280℃温度下焊接的样品在150℃高温下存放15个小时后的焊接状态图。〔图18〕是表示本专利技术实施例1的丝焊方法中第4压力施加后的焊接状态图。〔图19〕是表示图18中的焊接状态之一的模式图。〔图20〕是表示本专利技术实施例2的丝焊方法的焊接状态图。〔图21〕 是表示本专利技术实施例2的丝焊方法的焊接状态图。〔图22〕是表示本专利技术实施例3的丝焊方法中，压力施加时间与焊接部金属化合物的形成状态之间的关系图。〔图23〕是表示本专利技术实施例4的丝焊装置的结构图。〔图24〕是表示以往丝焊方法中压力及超声振动施加时间与焊接时间之间的关系图。实施例1以下，结合图来说明本专利技术的实施例1。图1-a是说明本专利技术实施例1的丝焊方法的半导体装置结构的截面图，图1-b是焊接部的部分截面图。图2是本实施例的丝焊方法中压力及超声振动施加时间与焊接时间之间的关系图。图中，1是半导体元件，2是半导体元件上设置的压焊区，3a是金属丝，3b是金属丝3a末端形成的金属球，4是引线框，5是连接半导体元件与引线框的管心键合剂，8是焊头的毛细管。在本实施例中，利用以聚酰亚胺及环氧树脂为主要成分，苯酚为硬化剂并添加银粉构成的管心键合剂，将半导体元件1和以Cu为主要成分的引线框4进行机械与电连接。以下将说明如何通过使用毛细管8提供压力与60KHz左右的超声振动能量及从半导体元件1的下面提供热量来将直径30μm以Au为主要成分的金属丝3a末端熔化并凝固成直径55μm的金属球3b，然后将其键合在半导体元件1上形成的以AL为主要成分的单边长为80μm的压焊区2上。还有，图3～图19是金属球3b与压焊区2的焊接部的金属化合物的形成状态。图中，6a是作为焊接起点的焊接核，6b是岛状焊接部，7是将岛状焊接部6b都包围起来形成的带状焊接部。首先，金属球3b接触在压焊区2上后，让第1键合压力以120gf左右的梯度急剧上升，在金属丝3a与压焊区2的焊接界面处，使其相互产生急剧的塑性流动。压力的急剧上升可以通过毛细管8的快速下降来实现。由于这种塑性流动，在接触界面处不会出现滑动能量，仅由压力就可将材料表面的氧化膜局部地除去，在接触界面内就会形成均匀的作为焊接起点的焊接核6a。此时，在压焊区2表面，最好先形成几个μm的凸起，以便容易形成焊接核6a。由于凸起的存在，例如在对压焊区进行热处理时，就可以用来作为使AL单晶生长的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置，其特征在于：备有半导体元件、通过管心键合剂与此半导体元件相连接的引线框、以及将半导体元件与引线框导电性地连接起来的金属丝，上述半导体元件上设置的压焊区与金属丝的焊接部由多个岛状焊接部和包围全体岛状焊接部的带状焊接部构成。

【技术特征摘要】
JP 1996-10-17 297146/961.一种半导体装置，其特征在于备有半导体元件、通过管心键合剂与此半导体元件相连接的引线框、以及将半导体元件与引线框导电性地连接起来的金属丝，上述半导体元件上设置的压焊区与金属丝的焊接部由多个岛状焊接部和包围全体岛状焊接部的带状焊接部构成。2.根据权利要求1记述的半导体装置，其特征在于引线框以Cu为主要成分，管心键合剂以树脂为主要成分。3.根据权利要求1或权利要求2记述的半导体装置，其特征在于金属丝以Au为主要成分，压焊区以Al为主要成分。4.一种用压力及超声振动将金属丝焊接到半导体元件上设置的压焊区上的丝焊方法，其特征在于从上述金属丝接触到上述压焊区后开始到施加超声振动之前，连续施加第1键合压力和比第1键合压力小的第2键合压力，接着，在施加超声振动后，连续施加比上述第2键合压力小50％的第3键合压力和比上述第1键合压力小但比上述第3键合压力大的第4键合压力。5.根据权利要求4记述的丝焊...

【专利技术属性】
技术研发人员：堀部裕史，中村和子，丰崎真二，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]