JP2000306957A - 超音波ボンディング実装方法及び超音波ボンディング装置 - Google Patents

超音波ボンディング実装方法及び超音波ボンディング装置

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ultrasonic bonding
bonding
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chip element
temperature
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Masashi Goto
真史 後藤
Jitsuo Kanazawa
實雄 金澤
Hiroki Hara
浩樹 原
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 樹脂基体にチップ素子をフェースダウンボン
ディングする際の接合条件を適切に設定して余裕度を広
くし、安定で信頼性の高い接合を実現する。 【解決手段】 樹脂基板10に設けた配線電極にチップ
素子CPの接続電極を超音波ボンディングすることで、
前記樹脂基板10に前記チップ素子CPを実装する場合
において、前記樹脂基板10の室温での弾性率εrに対
する加熱された時の弾性率εhの比が、1>εh/εr≧
0.5となる温度に前記樹脂基板10を加熱するヒータ
ー5を備えている。ヒーター5は基板載置台4側に設け
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、弾性表面波素子
(SAW)や半導体チップ等のチップ素子を樹脂基板等
に超音波ボンディングによって実装する超音波ボンディ
ング実装方法及び超音波ボンディング装置に関する。
【0002】
【従来の技術】電子機器の軽薄短小化が急激に進み、弾
性表面波素子(SAW)や半導体チップ等のチップ素子
を基板上に高密度に実装できるフェースダウン実装技術
が重要になっている。
【0003】このフェースダウン実装の例としては、セ
ラミック基板上に形成されたパッド電極にチップ素子の
バンプ電極を超音波と荷重を加えて接合する超音波ボン
ディングがあり、はんだや接着剤等を使用する必要が無
く、チップ素子を小型化してもチップ素子に加わる熱ス
トレスを軽減でき、接続強度も高く取れるので有益な方
法である。また、超音波ボンディングの時に150℃以
上で225℃以下に加熱すると、接合強度が高まること
も知られている(例えば、特開平10−107078号
公報)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最近
は、セラミック基板が加工性に欠けるだけでなく経済性
も悪いことから、チップ素子を搭載する基体としてBT
樹脂基板や高耐熱ガラスエポキシ基板等の樹脂基板が使
用される傾向にある。ところが、樹脂基板を使用する場
合には、配線電極として樹脂基板に設けた例えばバンプ
パターンにチップ素子の接続電極をフェースダウンしな
ければならないが、樹脂基板に対して適した超音波ボン
ディング条件についての詳細な検討は余り為された例が
無く、従来のセラミック基板に対して適用していた超音
波ボンディング条件を踏襲するに留まっていた。超音波
ボンディング時の加熱温度を調整することで接合条件を
最適化しようとするよりも、超音波出力や加圧力を調整
しようとするものであり、樹脂材料の特質には寄らずに
適当と思われる加熱温度で超音波ボンディングが実施さ
れているに過ぎなかった。
【0005】また、最近ではチップ素子の接合面に多数
のバンプ電極が接合のための接続電極として設けられる
傾向にある。しかし、多数のボールを配設する等してバ
ンプ電極を設けても、それらの高さを揃えることは困難
であり、高さに差がある多数のバンプ電極を、表面に凹
凸が残る基板上に一度に接合することは困難であった。
そのため、高さギャップのばらつきを埋めるために、バ
ンプ電極の先端に接着剤を付加したり、加熱して溶融す
るはんだペーストを用いたり、樹脂中に導電性粉体を練
り込んでバンプを押し込んで埋め込むことによって接合
させる異方性導電性接着層を用いること等がなされてい
た。
【0006】その結果、接合強度を高めようとするあま
り、接合する際の超音波出力と荷重が過大になってチッ
プ素子のパッド部分にクラックが入ったり、チップ素子
のパッドがチップ素子から剥離したり、更には、樹脂基
板の表面凹凸の影響を受けてチップ素子に設けた多数の
バンプ電極が均一に接合されない等の課題を残してい
た。
【0007】上記以外にも検討すべき課題として、次の
ような事項も挙げることができる。
【0008】(1) チップ素子を搭載する配線基板上の
パターンの微細化(例えば10ミクロンパターン化)
や、チップ素子の微小化(例えば1mm角化)を図る上
で、同時に微小化するバンプ電極(例えば直径50ミク
ロン化)やパッド(例えば100ミクロン角)を用いる
場合にもボンディング安定性を高めることが重要にな
る。
【009】(2) 超音波ボンディングによるバンプ電極
やパッド、あるいは配線基板やチップ素子の基体に残る
残留応力を極力減らすことが重要である。
【0010】(3) 特に、SAWや光変調素子のような
焦電性材料や複屈折性光学材料等の誘電性材料等を用い
る場合には、超音波ボンディングに伴なう機械的な衝撃
(歪み、インパクト等)や温度衝撃(温度差、温度変化
速度等)を緩和し、接合部分に加わるストレスを抑える
ことが、例えば放電破壊を防止する上でも重要になる。
【0011】本発明は、上記課題に対処しようとするも
ので、チップ素子を搭載する基体として樹脂基体を用い
てチップ素子をフェースダウン実装する場合に、樹脂基
体に対する超音波ボンディング条件を最適に設定できる
超音波ボンディング実装方法を提供することを目的とす
る。また、この発明の目的には、ボンディング作業で広
い余裕度(マージン)を提供し、安定な接合が実現で
き、しかも、長期的に信頼性に優れた超音波ボンディン
グ実装を実現することが含まれる。
【0012】さらに、この発明の他の目的は、樹脂基体
にチップ素子をフェースダウンボンディングでき、ボン
ディング作業での余裕度(マージン)が広く、安定な接
合が実現でき、しかも、長期的に信頼性に優れた超音波
ボンディングを実現できる超音波ボンディング装置を提
供することである。
【0013】本発明のその他の目的や新規な特徴は後述
の実施の形態において明らかにする。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために樹脂基体が有する弾性率に着目して鋭意検
討した結果、発明者が見出したものであり、次のような
手段によるものである。
【0015】即ち、本願請求項1の発明は、室温での弾
性率がεr、加熱された時の弾性率がεhである樹脂基体
に設けた配線電極に、チップ素子の接続電極を位置を合
わせて超音波ボンディングすることで前記樹脂基体に前
記チップ素子を実装する超音波ボンディング実装方法に
おいて、室温での弾性率εrに対する加熱時の弾性率εh
の比が、1>εh/εr≧0.5となる温度に前記樹脂基
体を加熱して前記配線電極と前記接続電極との超音波ボ
ンディングを行うことを特徴している。
【0016】上記請求項1の発明によれば、室温では高
い剛性を有している樹脂基体は、加熱されることによっ
て弾性率を低下させて柔軟性を帯び、しかも、弾性率の
低下は室温での弾性率の半値までで抑えられるので、配
線電極と接続電極が位置を合わせて超音波や荷重が加え
られるボンディング時には、樹脂基体が過度に変形する
こと無く配線電極と接続電極の間に超音波エネルギーと
荷重、熱を加えるとともに、適度に変形してボンディン
グに伴なう機械的衝撃を緩和するように作用する。特
に、多点の配線電極と接続電極の超音波ボンディングを
同時に行う場合には、接合部分に凹凸があっても、樹脂
基体の柔軟性によって接合部分が変形し、多点での均質
なボンディングが可能になる。
【0017】本願請求項2の発明は、前記請求項1にお
いて、前記樹脂基体の超音波ボンディング時の加熱温度
が80乃至170℃の範囲内であることを特徴としてい
る。
【0018】本願請求項3の発明は、前記請求項1又は
2において、超音波ボンディング時に前記チップ素子に
与える超音波振幅量が0.8乃至1.6μmの範囲内であ
ることを特徴としている。
【0019】本願請求項4の発明は、前記請求項1,2
又は3において、前記チップ素子が誘電体基板を持つ弾
性表面波素子であり、前記接続電極が前記誘電体基板に
形成された金又は金合金のバンプ電極であることを特徴
としている。
【0020】本願請求項5の発明は、前記請求項1,
2,3又は4において、前記樹脂基体が熱硬化性樹脂基
板であり、銅箔パターン表面にメッキ層を設けて前記配
線電極を形成したものであって、前記メッキ層の最上層
が金であることを特徴としている。
【0021】本願請求項6の発明は、樹脂基体に設けた
配線電極にチップ素子の接続電極を超音波ボンディング
することで、前記樹脂基体に前記チップ素子を実装する
超音波ボンディング装置において、前記樹脂基体の室温
での弾性率εrに対する加熱された時の弾性率εhの比
が、1>εh/εr≧0.5となる温度に前記樹脂基体を
加熱する樹脂基体加熱手段を備えたことを特徴としてい
る。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る超音波ボンデ
ィング実装方法及び超音波ボンディング装置の実施の形
態を図面に従って説明する。
【0023】図1は本発明の実施の形態にて用いる超音
波ボンディング装置の概略構成であり、超音波発生器1
で駆動される超音波ホーン2にコレット3が取り付けら
れ、該コレット3にて実装対象のチップ素子CPが真空
吸引による負圧で吸着保持されるようになっている。配
線基板である樹脂基板10を載置、固定するために基板
載置台4が設置されており、この基板載置台4には基板
加熱手段としてのヒーター5が設けられている。このヒ
ーター5は樹脂基板10の室温(25℃)での弾性率ε
rに対する加熱された時の弾性率εhの比が、1>εh/
εr≧0.5となる温度(例えば、80〜170℃の範囲
内)にまで樹脂基板10を昇温させ得るものである。な
お、超音波ホーン2及びコレット3を基板載置台4に対
して昇降させるために昇降手段6が設けられている。
【0024】図2及び図3に示される実装対象チップ素
子CPは、SAWの場合、LiNbO、LiTa
、水晶等の圧電材料を基体20(例えば厚さ0.3
5mm)とし、その表面上には、図3に拡大して示すよう
に、Alを主成分とする(例えば0.5wt%Cu入
り)配線パターン21を形成してある。基体20上のA
uバンプボンディングパット部分には、配線パターン2
1の更に表層にCrの中間層22を挟んで比較的厚め
(例えば10000Å)のAl層23が形成されてい
る。最上層のAuバンプ電極24は、直径約25μmの
Auを主成分とするワイヤーを用いて圧電材料の基体と
なるウエハーのパッド部分に熱と超音波を併用した接合
方法により形成する。Auバンプ電極付きの上記ウェハ
ーは更にダイシングによって、各々の素子に分割され
る。
【0025】樹脂基板10としては、厚さ0.5mmのB
T樹脂基板(三菱ガス化学製CCL−HL−830)を
用い、基板の配線パターン及び配線電極11として、1
8μmCu箔11aにCuメッキ層11bを10μm、
Niメッキ層11cを5μm、最上層のAuメッキ層1
1dを0.5〜1μm積層形成している。
【0026】上記のようなチップ素子CPを、図2のよ
うにコレット3で吸着保持し、樹脂基板10に設けた配
線電極11に、チップ素子CPの接続電極としてのバン
プ電極24を位置を合わせて押し当て、超音波ボンディ
ング、つまり超音波熱圧着法により接合する。
【0027】この際、従来は、同じ超音波熱圧着法で
も、例えば特開平10−107078号のように、セラ
ミック基板温度を、150℃〜225℃に加熱する方法
や、同じくセラミック基板を200℃で超音波熱圧着し
ている例が示されている(mate’97「超音波併用
熱圧着によるフリップチップボンディング」)。
【0028】これに対し本発明では、樹脂基板10が有
する弾性率に着目して従来のセラミック基板とは異なる
基板温度等の条件下で超音波ボンディングを実行するも
のであり、その理由を以下に詳述する。
【0029】チップ素子上のAuバンプ電極の高さは、
引きちぎり形成では、±10μm程度ばらつきが存在す
る。このバンプ高さを揃えても1〜3μm程度のばらつ
きが残る。また、樹脂基板表面の凹凸も1〜3μm程度
のばらつきが有る。従って、図4で示されるように、素
子側バンプ電極−配線電極側パッド間のギャップは合算
で2〜6μm程度ばらつく。その結果、複数のバンプ電
極24が形成されているチップ素子CPのバンプ電極全
てを均一な強度で配線電極11に接合しようとした場合
には、超音波ボンディング作業において余裕度(マージ
ン)が広く、安定した接合ができるボンディング条件が
必要となる。
【0030】複数のAuバンプ電極を同時に超音波熱圧
着法により接合する場合には、接合部分の酸化膜除去や
Auの相互拡散を素早く行い、チップ素子に与えるダメ
ージを極力小さくする為に、200℃程度の熱を与える
ことが必要と考えられていたが、樹脂基板を用いた場
合、200℃のような高温では、基板自体の剛性が熱に
より低下して、図5で示されるように超音波振動が樹脂
基板10を通じて拡散してしまい超音波が効率良く伝わ
らなくなってしまう。このことにより、必要とされる強
度が得られなかったり、チップ素子CPに設けられた複
数のバンプ電極24の各々が、樹脂基板10側配線電極
11に接合されるタイミングにばらつきが出てしまう。
この場合、図6のように先に接合されたチップ素子CP
側パッド部分に剥離やクラックが発生したり、接合が不
充分の場所が出てきてしまう。このことを防ぐ為に、荷
重を増やしたり、超音波のパワーや時間を増やすと、今
度はチップ素子CPに、より大きなダメージを与えてし
まう。
【0031】図7に樹脂基板としてのBT樹脂基板(三
菱ガス化学製CCL−HL−830)の弾性率と温度の
関係を示す。この図から、変曲点の150℃前後を境
に、曲げ弾性率が、室温(25℃)に比べて、1/2よ
り低下していることが分かり、従来のセラミック基板の
場合の200℃以上に加熱した場合では曲げ弾性率は4
0%をも下回る大幅低下となる。
【0032】室温では高い剛性を有している樹脂基板
は、加熱されることによって弾性率を低下させて柔軟性
を帯び、しかも、弾性率の低下を室温での弾性率の半値
までで抑える条件下では、配線電極と接続電極が位置を
合わせて超音波や荷重が加えられるボンディング時に
は、樹脂基板が過度に変形すること無く配線電極と接続
電極の間に超音波エネルギーと荷重、熱を加えるととも
に、適度に変形してボンディングに伴なう機械的衝撃を
緩和するように作用する。特に、多点の配線電極と接続
電極の超音波ボンディングを同時に行う場合には、図4
で説明したように接合部分に凹凸があっても(素子側バ
ンプ電極24と基板側接続電極11間の距離がばらつい
ていても)、樹脂基板10の柔軟性によって接合部分が
変形し、多点での均質なボンディングが可能になる。
【0033】図8は基板温度と図3の電極構造のチップ
素子の接着強度との関係を説明するグラフであり、測定
試料のチップ素子に8個のAuバンプ電極が設けられて
いる場合で、図8(A)は基板温度とそのチップ素子の
接着強度(せん断強度)との関係を、同図(B)は破壊
モード(曲線aはチップ素子側のAlパッド層の破壊、
曲線bは素子側Auバンプ電極−基板側Auメッキ層間
の破壊、曲線cは素子破壊の割合)を示している。図8
(A)から判るように、せん断接着強度は、基板温度1
30℃で最大となり、図7から室温での曲げ弾性率に対
する、その温度130℃での曲げ弾性率の比(130℃
の曲げ弾性率/室温での曲げ弾性率)が0.875であ
った。また、図8(B)の破壊モードをみても80℃未
満の低温側では、Auバンプ電極−Auメッキ層間の剥
離が多くまた素子の破壊が多いが、基板の温度を上げて
いくと、素子パッド部分の材料破壊(Auバンプ電極と
基板のAuパッド間の接合は強固であることを意味す
る)となって強度も強くなる。しかし、(加熱時の曲げ
弾性率/室温での曲げ弾性率)が0.5未満の170℃
を越える温度になると、Auバンプ電極と基板のAuパ
ッド間の剥離が発生し、強度も急激に低下する。更に、
基板を高温にして、ボンディングの温度条件を高める
と、今度は、素子にダメージが加わり、接合不良が発生
しやすくなる。
【0034】上記の事から、本実施の形態では、室温で
の弾性率がεrであり、加熱された時の弾性率がεhであ
る樹脂基板に設けられた配線電極に位置を合わせてチッ
プ素子の接続電極を超音波ボンディングすることによっ
て樹脂基板にチップ素子を実装する実装方法において、
室温での弾性率εrに対する加熱時の弾性率εhの比が、
1>εh/εr≧0.5となる温度に樹脂基板を加熱して
配線電極と接続電極との超音波ボンデイングを行うこと
としている。具体的には、80〜170℃の温度範囲で
あることが好ましく、特に80〜140℃の範囲が好ま
しく、さらに100〜130℃の温度範囲とすることで
最も良好な接合が得られる。
【0035】図9は本実施の形態における超音波ボンデ
ィング時の状態とその時の条件を示す。基板温度以外の
フリップチップ実装条件は、超音波の振幅量が0.8mm
〜1.6mm、荷重が300〜1500g(特に400〜
800gが好ましい)、超音波印加時間が0.03〜0.
5秒の範囲であり、これらの条件を満足することが、チ
ップ素子の超音波ボンディング時の破損を回避して基板
側配線電極と素子側接続電極との接合をより確実にする
上で望ましい。
【0036】本実施の形態によれば、以下の効果を奏す
ることができる。
【0037】(1) 室温での弾性率εrに対する加熱時の
弾性率εhの比が、1>εh/εr≧0.5となる温度に樹
脂基板10を基板加熱手段にて加熱して基板側配線電極
11と素子側接続電極としてのAuバンプ電極24との
超音波ボンディングによる接合を実行するため、樹脂基
板10が適切な剛性を呈する範囲で超音波ボンディング
が可能であり、バンプ電極や配線電極の高さのばらつき
を吸収し、かつ電極同士の超音波による接合を安定的に
高い信頼度で実現できる。
【0038】(2) 樹脂基板10の超音波ボンディング
時の加熱温度は80乃至170℃の範囲でよく、従来の
セラミック基板の200℃前後に比べて基板温度は低
い。チップ素子にSAW等の焦電性基板を用いた場合に
は、高温(たとえは200℃以上)でボンディングする
事により、その温度衝撃で素子パターンが放電破壊して
しまう恐れが有るが、樹脂基板を用い低温で接合可能に
なったことにより温度衝撃を緩和して放電破壊も起きな
くなる。
【0039】(3) さらに、超音波ボンディング時にチ
ップ素子に与える超音波振幅量を0.8乃至1.6μmの
範囲内とし、荷重を300〜1500gの範囲内とした
ことで、配線基板やチップ素子の基体に残る残留応力を
極力減らして超音波ボンディング安定性を高めることが
できる。
【0040】実施の形態において、樹脂基板の耐熱性を
上げる為に基板をアニールして、基板の耐熱温度を高め
る事ができれば、更に高い温度で接合する事が可能とな
る。
【0041】なお、セラミック基板やガラス基板は、2
00℃程度の温度では室温からの曲げ弾性率の低下はほ
とんど無いので、室温での曲げ弾性率に対するボンディ
ング時の温度での曲げ弾性率の比は略1であり、樹脂基
板を用いたときのように加熱により剛性を適切に設定し
てバンプ電極や配線電極の高さのばらつきを吸収する等
の効果は期待できない。
【0042】配線基板として使用する樹脂基板は、BT
樹脂基板のみでなく、他の熱硬化性基板やガラス繊維等
の強化フィラー入り樹脂基板、樹脂成形基板でも良く、
樹脂の種類も、熱硬化性材料に限らず、熱可塑性の材料
でも構わない。
【0043】弾性率に関しても図7のBT樹脂のように
必ず変曲点を持つ必要はなく、例えば、非晶性プラスチ
ックに良く見られるような温度上昇によって図10のB
T樹脂以外の特性図のようにだらだらと単調に曲げ弾性
率が低下する特性の樹脂でも良い。
【0044】なお、上記実施の形態では、樹脂基体とし
て樹脂基板を用いたが、少なくとも部分的に平坦部分が
存在する形態であれば、本発明は適用可能である。
【0045】以上本発明の実施の形態について説明して
きたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記
載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当
業者には自明であろう。
【0046】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、室温で
の弾性率がεrであり、加熱された時の弾性率がεhであ
る樹脂基体に設けられた配線電極に位置を合わせてチッ
プ素子の接続電極を超音波ボンディングすることによっ
て樹脂基体にチップ素子を実装する場合において、室温
での弾性率εrに対する加熱時の弾性率εhの比が、1>
εh/εr≧0.5となる温度に樹脂基体を加熱して配線
電極と接続電極との超音波ボンディングを行うので、樹
脂基体を用いてチップ素子をフェースダウン実装すると
きに、樹脂基体に対する超音波ボンディング条件を最適
に設定でき、ボンディング作業で広い余裕度(マージ
ン)を持ち、安定な接合が実現でき、しかも、長期的に
信頼性に優れた超音波ボンディングを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態で用いる超音波ボンディン
グ装置の概略構成図である。
【図2】本発明の実施の形態における超音波ボンディン
グ実装方法の説明図である。
【図3】実施の形態におけるチップ素子側バンプ電極及
び基板側配線電極の拡大断面図である。
【図4】チップ素子側バンプ電極及び基板側配線電極に
高さのばらつきが存在する場合の説明図である。
【図5】樹脂基板の不適当な高温加熱による超音波の伝
わり方を示す設明図である。
【図6】バンプ電極の接合タイミングのずれによる接合
不良モデル図である。
【図7】配線基板としてのBT樹脂基板の曲げ弾性率と
温度の関係を示すグラフである。
【図8】超音波ボンディングとしての超音波圧着熱併用
接合の接合温度と素子接合強度との関係、並びに破壊モ
ードを示すグラフである。
【図9】超音波接合条件を説明する状態図である。
【図10】その他の樹脂の曲げ弾性率と温度の関係を示
すグラフである。
【符号の説明】
1 超音波発生器 2 超音波ホーン 3 コレット 4 基板載置台 5 ヒーター 6 昇降手段 10 樹脂基板 11 配線電極 20 基体 21 配線パターン 22 中間層 23 Al層 24 バンプ電極 CP チップ素子
フロントページの続き (72)発明者 原 浩樹 東京都中央区日本橋一丁目13番1号ティー ディーケイ株式会社内 Fターム(参考) 5F044 KK02 PP19 QQ03

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 室温での弾性率がεr、加熱された時の
    弾性率がεhである樹脂基体に設けた配線電極に、チッ
    プ素子の接続電極を位置を合わせて超音波ボンディング
    することで前記樹脂基体に前記チップ素子を実装する超
    音波ボンディング実装方法において、 室温での弾性率εrに対する加熱時の弾性率εhの比が、
    1>εh/εr≧0.5となる温度に前記樹脂基体を加熱
    して前記配線電極と前記接続電極との超音波ボンディン
    グを行うことを特徴とする超音波ボンディング実装方
    法。
  2. 【請求項2】 前記樹脂基体の超音波ボンディング時の
    加熱温度が80乃至170℃の範囲内である請求項1記
    載の超音波ボンディング実装方法。
  3. 【請求項3】 超音波ボンディング時に前記チップ素子
    に与える超音波振幅量が0.8乃至1.6μmの範囲内で
    ある請求項1又は2記載の超音波ボンディング実装方
    法。
  4. 【請求項4】 前記チップ素子が誘電体基板を持つ弾性
    表面波素子であり、前記接続電極が前記誘電体基板に形
    成された金又は金合金のバンプ電極である請求項1,2
    又は3記載の超音波ボンディング実装方法。
  5. 【請求項5】 前記樹脂基体が熱硬化性樹脂基板であ
    り、銅箔パターン表面にメッキ層を設けて前記配線電極
    を形成したものであって、前記メッキ層の最上層が金で
    ある請求項1,2,3又は4記載の超音波ボンディング
    実装方法。
  6. 【請求項6】 樹脂基体に設けた配線電極にチップ素子
    の接続電極を超音波ボンディングすることで、前記樹脂
    基体に前記チップ素子を実装する超音波ボンディング装
    置において、 前記樹脂基体の室温での弾性率εrに対する加熱された
    時の弾性率εhの比が、1>εh/εr≧0.5となる温度
    に前記樹脂基体を加熱する樹脂基体加熱手段を備えたこ
    とを特徴とする超音波ボンディング装置。
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