JP2004303952A - 接合方法および接合装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】一方部材と他方部材とを、バンプ電極を介して、加重および超音波振動の付加により接合する接合方法および装置において、一方部材および他方部材を、大きな接合強度で、かつ、低電気抵抗状態で、しかも一方部材およびまたは他方部材に割れやクラックを生じることなく接合する接合方法および接合装置を提供する。
【解決手段】一方部材である半導体チップのバンプ電極と、他方部材である基板の電極とを、低加重領域ＬＰの当初期間ＬＰ１では加重が小さい傾斜角度で徐々に増大する可変加重ＷＶ１のみを付加し、低加重領域ＬＰの後続期間ＬＰ２では、前記可変加重ＷＶ１と共に超音波振動ＵＳを付加し、高加重領域ＨＰでは実質的に加重が大きい傾斜角度で徐々に増大する可変加重ＷＶ２のみを付加して、バンプ電極の中央部から周辺部へと構成金属の新生面を生成しながら接合する。
【選択図】 図１
【解決手段】一方部材である半導体チップのバンプ電極と、他方部材である基板の電極とを、低加重領域ＬＰの当初期間ＬＰ１では加重が小さい傾斜角度で徐々に増大する可変加重ＷＶ１のみを付加し、低加重領域ＬＰの後続期間ＬＰ２では、前記可変加重ＷＶ１と共に超音波振動ＵＳを付加し、高加重領域ＨＰでは実質的に加重が大きい傾斜角度で徐々に増大する可変加重ＷＶ２のみを付加して、バンプ電極の中央部から周辺部へと構成金属の新生面を生成しながら接合する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は接合方法および接合装置に関し、特に、フリップチップ実装、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）やＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ ＰａｃｋａｇｅまたはＣｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ）などのバンプ電極を有する半導体チップを、バンプ電極を介してリードフレームや基板の電極に接合する場合に好適な接合方法および接合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フリップチップ実装やＢＧＡやＣＳＰなどのバンプ電極による接合タイプの半導体装置においては、半導体チップの裏面に設けられたバンプ電極を介して、リードフレームや基板の電極に接合している。例えば、半導体チップを基板の電極に実装する場合は、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、半導体チップ１０の裏面に設けられたＡｕよりなる複数のバンプ電極１１を、図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、基板１２のＡｕめっきして形成された複数の電極１３に接合した半導体装置１１０は、所謂フェースダウンボンディング構造を有する。なお、１１ａは、キャピラリに挿通したＡｕワイヤの先端部をトーチによって球状にして半導体チップ１０にボンディングした後、キャピラリを水平移動させてＡｕワイヤを引き千切り、必要に応じて切断端部をスタンピングまたはトーチ加熱によって整形したテール部である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このバンプ電極１１と電極１３の接合のため、半導体チップ１０には、上方から加重を付加して複数のバンプ電極１１を押し潰して、複数の電極１３に同時に接合しているが、このような接合方法によってバンプ電極１１と電極１３とを接合した半導体装置１１０では、接合強度が小さいために、剥離試験で簡単に剥離したり、あるいは接続部の電気抵抗が過大になったりする、接合不良が生じる場合があった。
【０００４】
その原因は、半導体チップ１０にバンプ電極１１を形成した後や、基板１２に電極１３をめっき形成した後の保管雰囲気や保管期間によっては、バンプ電極１１および／または電極１３の表面に酸化膜が形成されたり、コンタミネーション膜が生じたりするによって、この酸化膜やコンタミネーション膜を介してバンプ電極１１と電極１３とが接合される結果、バンプ電極１１と電極１３との構成金属であるＡｕ同士が直接接合されていないか、あるいはその直接接合面積が小さいために、接合強度が小さく剥離試験で簡単に剥がれたり、あるいはその接合部の電気抵抗が大きくなったりする重大な問題点があった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平３−２４６９４６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、半導体チップ１０を、複数のバンプ電極１１を介して、基板１２の複数の電極１３に接合する場合に、図８に示すように、半導体チップ１０を吸着したコレットに、前半部ＰＦ（例えば、０〜２５０ｍｓの期間）では加重が徐々に大きくなる可変加重Ｗ１を加重Ｇ（例えば、１，２５０ｇ）に達するまで付加し、後半部ＰＢ（例えば、２５０〜５００ｍｓの期間）では加重Ｇ（例えば１，２５０ｇ）の一定加重Ｗ２を付加すると共に、前半部ＰＦおよび後半部ＰＢのほぼ全領域で、かなり大きな超音波ネルギＰ（例えば、１ｗ）の超音波振動ＵＳを付加することが行なわれている。
【０００７】
このような加重と超音波振動との付加によって、バンプ電極１１および／または電極１３の酸化膜やコンタミネーション膜が破壊されて、バンプ電極１１と電極１３とが、それぞれの構成金属であるＡｕの新生面生成によって接合されることによって、大きな接合強度で、かつ低電気抵抗で接合することができる。
【０００８】
しかしながら、上記のように、前半部ＰＦおよび後半部ＰＢのほぼ全期間にわたって超音波振動ＵＳを付加し続けた場合、バンプの接合が完了しているにもかかわらず振動を加え続けることになり、その超音波振動エネルギがほとんど半導体チップ１０に加えられるようになる結果、半導体チップ１０の受けるストレスが過大になってダメージが大きくなり、半導体チップ１０に割れやクラックが生じるという問題点があった。
【０００９】
また、後半部ＰＢのような高加重領域において超音波振動ＵＳを付加し続けると、振動によりバンプの変形も促進され、かつ、振動の加振方向に延ばされる現象が発現する。図９に示すように、バンプ電極１１による接合部の横断面形状が楕円形状Ｂになって、バンプ電極１１，１１間の間隔寸法Ｌ２が、接合部の横断面形状が真円形状Ａの場合の間隔寸法Ｌ１に比較して小さくなる。
【００１０】
このため、隣接するバンプ電極１１，１１間の間隔寸法Ｌが小さい高密度実装型半導体装置の場合は、隣接するバンプ電極１１，１１間の間隔寸法Ｌ２が小さくなり過ぎて、耐電圧および／または絶縁抵抗が規格値よりも小さくなることがあった。また、前記半導体チップ１０全体の接合初期位置からの移動量が大きい場合、あるいは接合前の複数のバンプ電極１１，１１間で、大きさのばらつきがある場合は、大きいバンプ電極の潰れ量が大きいために、隣接するバンプ電極１１，１１間で短絡（１４）する場合もあるという問題点があった。
【００１１】
一方、このような隣接するバンプ電極１１，１１間での短絡や絶縁耐圧、絶縁抵抗の低下を生じさせないためには、バンプ電極１１，１１間の間隔寸法Ｌを大きく設計しなければならず、高密度実装が実現出来ないという問題点があった。
【００１２】
そこで、本発明は、半導体チップなどの一方部材と、基板の電極やリードフレームなどの他方部材とを、バンプ電極を介して、かつ加重および超音波振動を付加して接合する場合に、接合強度が大きく、低電気抵抗で、しかも半導体チップなどに対するダメージが小さく、半導体チップなどに割れやクラックが生じない接合方法および接合装置を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載された接合方法は、一方部材と他方部材とをバンプ電極を介して加重および超音波振動を付加して接合する方法において、接合プロセスを前半の低加重領域と、後半の高加重領域とに分け、実質的に低加重領域のみに超音波振動を付加することを特徴とするものである。
【００１４】
ここで、上記の「前半」および「後半」なる用語は、接合プロセスの順序を示すもので、必ずしも加重を付加する時間を１／２ずつに分割することを意味するものではなく、それぞれの時間は、バンプ電極の大きさや材質などによって、適宜設定されることを意味する。
【００１５】
また、上記の「実質的に」なる用語は、文字通り「低加重領域のみに超音波振動を付加する」場合のみならず、超音波振動の切断のタイミングによって、「高加重領域においても極めて短時間だけ超音波振動が付加される」場合や、「高加重領域において低加重領域に比較して格段に小さい超音波振動を付加する」場合をも含むことを意味するものである。
【００１６】
上記の接合方法によれば、まず、バンプ変形による新生面生成の効果が期待出来ない接合初期、すなわち、バンプ中央部の接合段階においては、超音波振動の付加によって、接触部において滑り摩擦と固着摩擦を混在させた状態を生じさせて、バンプ電極やその相手方部材の電極表面の酸化膜やコンタミネーション膜が破壊されて、バンプ電極や他方部材の構成金属の新生面生成によりバンプ電極の中央部と相手方部材の中央部とが確実に接合される。
【００１７】
この際、低加重領域下で各バンプを均一に、かつ、確実に接合させる方法として、超音波振動の加振速度を低く設定する方がよい。その手段として、▲１▼超音波パワーを下げ振幅を小さくする、▲２▼超音波周波数を低くする、などが挙げられる。超音波振動の加振速度を低く設定する方がよい理由として、超音波パワーを上げたり、超音波周波数を高くしたりすることの弊害として、コレット−チップ間の滑りが大きくなることと、バンプの変形により超音波振動が接合点に伝わらないことの２点が挙げられる。
【００１８】
次いで、実質的に高加重のみが付加されることによって、バンプ電極の水平方向の変形により構成金属の新生面を生成しながら接合部を周辺部に拡大していくことにより、バンプ電極と他方部材とを確実に接合することが出来る。この２つのプロセスにより、バンプ中央部、周辺部のいずれも接合強度が大きく、かつ、低電気抵抗で接合することが出来る。
【００１９】
また、前述のように、接合が進行してからも超音波振動を付加し続けると、超音波振動エネルギが接合部を振動させるには満たなくなる結果、超音波振動エネルギは一方部材および／または他方部材に与えられるようになるが、上記のように実質的に低加重領域のみで超音波振動を付加することによって、接合が進行してからは、実質的に超音波振動を付加することなく、高加重のみが付加される結果、一方部材および／または他方部材に超音波振動によって与えられるストレスがなくなって、一方部材および／または他方部材の割れやクラックを無くすことが出来る。
【００２０】
さらに、高加重領域では超音波振動を付加しないので、超音波振動による過剰なバンプ変形が起きず、また、加振による接合部の横断面形状が楕円形状になることがなく、真円ないし真円に近い形状になるので、高密度実装型の半導体装置などにおいて、さらには当初のバンプ電極間に大きさのばらつきがあっても、隣接するバンプ電極間で短絡を生じたり、耐電圧、絶縁抵抗が規格範囲を外れたりすることがなくなる。
【００２１】
請求項２に記載された接合方法は、前記低加重領域および／または高加重領域において、加重が徐々に増大する可変加重を付加することを特徴とするものである。
【００２２】
ここで、上記の「加重が徐々に増大する可変加重」なる用語は、いわゆるランプ加重と称されるもので、一定割合で加重が増大するの場合のみならず、加重の増大割合が変化する場合を含むことを意味する。
【００２３】
上記の接合方法によれば、低加重領域で加重と超音波振動による摩擦のバランスが所定値に達した時点から、接触面の接合が始まる。すなわち、低加重領域で一定加重を付加する場合は、加重と超音波振動による摩擦のバランスの最適な加重を設定しなければならないが、その値は個々のバンプ毎に異なりばらつきを持っているので、条件設定は困難である。しかし、上記の可変加重を付加する場合には、付加される加重が徐々に大きくなることによって、加重と超音波振動による摩擦のバランスが最適値に達する時点で自動的に接合が開始されるようになり、煩雑なタイミング加重設定をすることが不要になる。
【００２４】
請求項３に記載された接合方法は、前記一方部材がバンプ電極を有する半導体チップであり、前記他方部材がリードフレームまたは電極を有する基板であることを特徴とするものである。
【００２５】
上記の接合方法によれば、バンプ電極を有する半導体チップとリードフレームまたは電極を有する基板とを、バンプ電極を介して、接合強度が大きく、かつ、低電気抵抗で接合することが出来、半導体チップに割れやクラックが生じないで、しかも接合部間で短絡したり、耐電圧や絶縁抵抗が低下したりすることがなく、高信頼度のフリップチップ型や、ＣＳＰ型の半導体装置を得ることが出来る。
【００２６】
請求項４に記載された接合方法は、前記低加重領域および高加重領域において、接合部を加熱することを特徴とするものである。
【００２７】
上記の接合方法によれば、接合部を加重および超音波振動に加えて、さらに加熱することによって、常温下における接合に比較して接合性が向上されて、加重エネルギおよび／または超音波振動エネルギを低減することが出来る。あるいは、同一の加重エネルギおよび／または超音波振動エネルギの下では、接合強度をより大きく、かつ接合部の電気抵抗をより小さくすることが出来る。
【００２８】
請求項５に記載された接合装置は、一方部材を他方部材にバンプ電極を介して加重および超音波振動を付加して接合する接合装置において、前記一方部材および／または他方部材を押圧する押圧機構に、低加重状態と高加重状態とに連続的に切り換え可能な加重付加機構部を設けると共に、実質的に低加重領域で作動させ、高加重領域で非作動にする超音波付加機構部を設けたことを特徴とするものである。
【００２９】
上記の接合装置によれば、コレットなどの押圧治具に付加される加重や超音波振動の状態を切り換えて、一方部材と他方部材とを、バンプ電極を介して、接合強度が大きく、かつ、低電気抵抗で接合することが出来、高信頼度の接合をすることが出来る。しかも、一方部材および／または他方部材に超音波振動エネルギによる過大なストレスを与えないので、一方部材および／または他方部材に割れやクラックを生じることがない。さらに、接合部の断面形状を真円ないし真円に近い形状に出来るので、隣接するバンプ電極間で短絡や耐電圧低下、絶縁抵抗低下を生じることない。
【００３０】
請求項６に記載された接合装置は、前記加重付加機構部が、ボイスコイルモータを具備することを特徴とするものである。
【００３１】
上記の接合装置によれば、ボイスコイルモータに流す電流の大きさを制御することによって、可変加重を高精度で制御することが可能であり、高信頼度の接合装置を得ることが出来る。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の接合方法および接合装置の実施形態について、図面を参照して説明する。まず、図１は本発明の接合方法における加重および超音波振動の付加要領について説明する図である。図２（Ａ）ないし図２（Ｃ）は本発明の接合方法における接合プロセスの低加重領域および高加重領域でのバンプ電極の潰れ具合について説明する要部拡大正面図であり、図３（Ａ）ないし図３（Ｃ）は前記図２（Ａ）ないし図２（Ｃ）の各段階における接合部の横断面形状を示す。
【００３３】
図１および図２（Ａ）ないし図２（Ｃ）は、Ａｕワイヤなどで形成された複数のバンプ電極１１を有する半導体チップ１０と、複数のＡｕ，Ｐｄ，Ａｇその他のめっき処理された電極１３を有する基板１２とを、前記バンプ電極１１を介して接合する場合の接合プロセスを、前半の低加重領域ＬＰと後半の高加重領域ＨＰとに分け、低加重領域ＬＰをさらに、当初期間ＬＰ１と後続期間ＬＰ２に分けている。
【００３４】
そして、当初期間ＬＰ１（例えば、０〜５０ｍｓ程度）では、極小さい加重からその大きさが徐々に増大し、しかもその傾斜角度が小さい可変加重ＷＶ１のみを付加し、可変加重ＷＶ１が若干増大した後続期間ＬＰ２（例えば、５０〜４００ｍｓ程度）では、前記可変加重ＷＶ１に、従来よりも小さい一定の出力Ｐ（例えば、０．１〜０．５ｗ程度）の超音波振動ＵＳを加重Ｇ１（例えば、５００〜７００ｇ程度）に達するまで付加し、高加重領域ＨＰ（例えば、４００〜５００ｍｓ程度）では、超音波振動ＵＳを止めて、前記可変加重ＷＶ１よりも大きい傾斜角度で徐々に増大する可変加重ＷＶ２のみを加重Ｇ２（例えば、１，５００〜２，０００ｇ程度）に達するまで付加する場合を示している。
【００３５】
次に、このときのバンプ電極１１の形状変化および接合部の横断面形状変化について説明する。まず、図２（Ａ）および図３（Ａ）は低加重領域ＬＰの当初期間ＬＰ１におけるバンプ電極１１の形状および接合部の横断面形状を示し、半導体チップ１０のバンプ電極１１が、基板１２の電極１３に接触した後、低加重領域ＬＰの当初期間ＬＰ１では、その大きさが小さく、かつ加重の増大の傾斜角度が小さい可変加重ＷＶ１のみが付加されて、バンプ電極１１のテール部１１ａが若干潰される。
【００３６】
続いて、図１の低加重領域ＬＰの後続期間ＬＰ２では、前記可変加重ＷＶ１に超音波振動ＵＳが付加されて、図２（Ｂ）に示すように、バンプ電極１１の先端部１１ａが、可変加重Ｗ１によってさらに押し潰されると共に、超音波振動ＵＳにより接触部において滑り摩擦と固着摩擦を混在させた状態を生じさせ、その接触部の酸化膜やコンタミネーション膜が十分に破壊されて、バンプ電極１１や電極１３の構成金属の新生面が生成されることによって、バンプ電極１１と電極１３とが新生面同士の接合により、接合部が中央部から周辺部へと徐々に面積を増大しながら確実に接合されていく。
【００３７】
このとき、接合部は、図３（Ｂ）に示すように、可変加重ＷＶ１による押し潰しによって、その断面積Ｓ２が大きくなるが、超音波振動ＵＳのエネルギが小さいため、過剰なバンプ変形や水平方向への半導体チップ１０の移動応力を発生させないため、超音波振動ＵＳの付加にも関わらず真円ないし真円に近い形状Ａ’になる。
【００３８】
高加重領域ＨＰでは、超音波振動ＵＳの付加を止め、前記可変加重ＷＶ１よりも加重増大の傾斜角度が大きい可変加重ＷＶ２のみを付加する。この段階では、図２（Ｃ）および図３（Ｃ）に示すように、バンプ電極１１が加重により水平方向に延ばされるように大きく変形するため、酸化膜やコンタミネーション膜が破壊され続けて、バンプ電極１１や基板電極１３の構成金属の新生面が生成されてその接合部位が周辺部に拡大していく。
【００３９】
ここで、高加重領域ＨＰでは、超音波振動ＵＳの付加を止めているので、接合が進行しても、半導体チップ１０に過大な超音波エネルギが与えられることがなく、したがって、半導体チップ１０に過大なダメージが与えられることがないため、半導体チップ１０に割れやクラックが生じることがない。
【００４０】
さらに、可変加重ＷＶ２のみの付加によってバンプ電極１１がほぼ円形に押し潰されることによって、接合部が中央部から周辺部へと拡大していき、接合面積Ｓ３が大きな真円ないし真円に近い形状Ａになる。このため、高密度実装型の半導体装置にあっても、隣接するバンプ電極１１，１１相互間で短絡したり、短絡しないまでも隣接するバンプ電極１１，１１間の間隔寸法が小さくなって、耐電圧や絶縁抵抗が極端に低下したりすることがなく、大きな接合強度および低電気抵抗で、半導体チップ１０のバンプ電極１１と基板１２の電極１３とが接合された半導体装置１１０が得られる。
【００４１】
なお、上記の実施形態では、低加重領域ＬＰおよび高加重領域ＨＰ共に、加重が徐々に増大する可変加重ＷＶ１およびＷＶ２を付加する場合について説明したが、いずれか一方または両方において、一定加重を付加するようにしてもよい。
【００４２】
また、上記実施形態では、一定の大きさの超音波振動ＵＳを付加する場合について説明したが、時間と共に超音波エネルギが変化する可変超音波振動ＵＳＶを付加するようにしてもよい。このように可変超音波振動ＵＳＶを付加する場合、図４（Ａ）に示すように、超音波エネルギの大きさがＰ２からＰ１に徐々に減少する漸減型の可変超音波振動ＵＳＶ１を付加するようにしてもよいし、図４（Ｂ）に示すように、超音波エネルギの大きさがＰ３からＰ４まで徐々に増大する漸増型の可変超音波振動ＵＳＶ２を付加するようにしてもよい。
【００４３】
前者の漸減型の可変超音波振動ＵＳＶ１を付加する場合は、最初に大きな超音波振動を付加して、接触部において滑り摩擦と固着摩擦を混在させた状態を生じさせて、バンプ電極１１や電極１３の酸化膜やコンタミネーション膜を十分に破壊しておいて、バンプ電極１１と電極１３とを新生面生成により確実に接合すると共に、徐々に超音波振動エネルギを低減させることによって、接合面積が所定値に達した後は、超音波エネルギが接合部よりも半導体チップ１０に与えられることに起因する、半導体チップ１０のダメージを軽減して、半導体チップ１０の割れやクラックを防止することが出来る。
【００４４】
後者の漸増型の可変超音波振動ＵＳＶ２を付加する場合は、最初に小さい超音波振動を付加して、接触部において滑り摩擦と固着摩擦を混在させた状態を生じさせるとともに、半導体チップ１０に与えるダメージを抑制し、接合面積の増大に伴って、それに対向し得るだけの加重および超音波振動エネルギを徐々に増大して、接触部において徐々に増大する滑り摩擦と固着摩擦を混在させた状態を生じさせるので、バンプ数が多い場合の接合強度のばらつきを低減することが出来る。
【００４５】
また、上記の各実施形態の接合方法において、低加重領域および高加重領域にわたって、基板１２を加熱するようにしてもよい。このように基板１２を加熱すると、バンプ電極１１および／または電極１３の接合が促進される結果、加重および／または超音波振動エネルギを低減することが出来る利点がある。この加熱温度は、バンプ電極１１の大きさや材質、あるいは加重や超音波振動エネルギなどに応じて、例えば、常温以上で、かつ２５０℃以下の間に適宜設定される。
【００４６】
図５は本発明の実施形態に係る接合装置の模式的な概略構成図を示す。半導体チップ１０のバンプ電極１１と基板１２の電極１３（図示省略）とを接合する場合に、基板１２を載置する台２０と、この台２０内に配設された基板１２を加熱するヒータ２１と、半導体チップ１０を吸着して搬送し、接合に際して吸着した半導体チップ１０を基板１２に押圧する押圧部材であるコレット３０と、このコレット３０に可変加重ＷＶ１およびＷＶ２を選択的に付加するボイスコイルモータを具備する加重付加機構部４０と、この加重付加機構部４０のボイスコイルモータに与える電流を制御するコントラーラ５０と、前記コレット３０に超音波振動を付加する超音波ホーン６０と、この超音波ホーン６０の超音波振動を制御する超音波発振器７０と、前記コレット３０を上下動作させるサーボモータ８０と、このサーボモータ８０の上下動作を制御するサーボドライバ９０と、前記コントローラ５０と超音波発振器７０とサーボドライバ９０を制御するコンピュータ１００とを具備する。
【００４７】
前記加重付加機構部４０は、前述のように、ボイスコイルモータを具備しており、ボイスコイルモータのボイスコイルへの通電電流の大きさを、コントローラ５０によって変化させることによって、前記コレット３０に付加される加重を高精度で変化できるようになっている。
【００４８】
そして、サーボドライバ９０によって、コレット３０を上昇および下降動作させ、さらに図示しないサーボモータによって水平方向に移動させて、半導体チップ１０のピックアップおよびボンディングを行なう。すなわち、コレット３０を上昇および水平移動させて、コレット３０が半導体チップ１０のピックアップポジションの上方位置になると、コレット３０が下降して半導体チップ１０を吸着する。
【００４９】
半導体チップ１０を吸着したコレット３０は、サーボモータ８０によって上昇し、次いで、コレット３０を水平移動させて、半導体チップ１０のボンディングポジションの上方位置になると、コレット３０を下降させる。そして、コレット３０に加重付加機構部４０によって加重を付加すると共に、超音波ホ−ン６０によって超音波振動を付加して、半導体チップ１０を基板１２の電極１３に接合（ボンディング）する。
【００５０】
この接合時において、前述のとおり、低加重領域ＬＰの当初期間ＬＰ１では、コンピュータ１００によって、加重付加機構部４０のみを作動させ、後続期間ＬＰ２では、加重付加機構部４０と共に超音波発振器７０を作動させ、さらに高加重領域ＨＰでは、超音波発振器７０を停止させ、再び加重付加機構部４０のみを作動させる。
【００５１】
ここで、前述のように、低加重領域ＬＰの当初期間ＬＰ１では、ボイスコイルモータによって加重が小さな傾斜角度で徐々に増大する可変加重ＷＶ１を付加すると共に、後続期間ＬＰ２では、可変加重ＷＶ１に加えて超音波振動ＵＳを付加し、また、高加重領域ＨＰではボイスコイルモータによって加重が大きな傾斜角度で徐々に増大する可変加重ＷＶ２を付加すると共に、超音波ホーン６０の超音波振動を停止させることによって、半導体チップ１０のバンプ電極１１と基板１２の電極１３とが接合される。
【００５２】
前記加重付加機構部４０では、その加重出力が、前述のように、低加重領域ＬＰでは小さい傾斜角度で徐々に増大する可変加重ＷＶ１にしてもよいし、大きさが小さい一定加重にしてもよい。また、高加重領域ＨＰでは可変加重ＷＶ１よりも大きい傾斜角度で徐々に増大する可変加重ＷＶ２にしてもよいし、大きさが前記一定加重よりも大きい一定加重にしてもよい。
【００５３】
また、前記超音波ホーン６０の超音波振動エネルギは、図１に示すように、一定にしてもよいし、図４（Ａ）に示すように、その大きさが徐々に減少する漸減型の可変超音波振動ＵＳＶ１でもよいし、図４（Ｂ）に示すように、その大きさが徐々に増大する漸増型の可変超音波振動ＵＳＶ２でもよい。
【００５４】
このようにして、半導体チップ１０のバンプ電極１１を介して基板１２の電極１３への接合が終わると、加重の付加が停止される。すると、前記と逆の動作で、コレット３０が上昇→水平移動→下降して、次の半導体チップ１０を吸着し、上昇→水平移動→下降する。一方、この間に、基板１２が１ピッチ分移動して、次の基板１２の電極１３に半導体チップ１０を接合する。
【００５５】
なお、上記の実施形態では、バンプ電極１１が、Ａｕワイヤをボンディング後、Ａｕワイヤを引き千切り、切断端部を整形したテール部１１ａを有する場合について説明したが、球状または半球状のバンプ電極であってもよいし、半導体チップと基板の電極とを接合する場合のみならず、半導体チップとリードフレームのリード部とを接合する場合でもよい。また、半導体装置以外の他の電子装置においてバンプ電極を介して接合する場合にも適用することが出来る。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の接合方法は、一方部材と他方部材とをバンプ電極を介して加重および超音波振動を付加して接合する方法において、接合プロセスを前半の低加重領域と、後半の高加重領域とに分け、実質的に低加重領域のみに超音波振動を付加することを特徴とするものであるから、超音波振動により、一方部材と他方部材との中央部の接触部において滑り摩擦と固着摩擦を混在させた状態を生じさせて、バンプ電極や他方部材の構成金属の新生面を生成して確実に接合すると共に、バンプ電極や他方部材の構成金属の新生面を生成しながら、接合部を中央部から周辺部へと拡大していくことによって、大きな接合強度で、かつ低電気抵抗で接合することが出来、高い信頼度の接合を行なうことが出来る。また、接合面積が所定値に達した高加重領域では、超音波振動を付加しないで高加重のみを付加することによって、超音波振動エネルギが一方部材および／または他方部材にダメージを与えることがなく、割れやクラックが生じない。さらに、高加重領域で超音波振動を加えないため、接合部の横断面形状を楕円形状ではなく真円ないし真円に近い形状にすることが出来、バンプ電極が密接して形成されている高密度実装型の半導体装置においても、隣接するバンプ電極相互間で短絡したり、耐電圧または絶縁抵抗が極端に小さくなったりすることを防止することが出来る。
【００５７】
また、本発明の接合装置は、一方部材を他方部材にバンプ電極を介して加重および超音波振動を付加して接合する接合装置において、前記一方部材および／または他方部材を押圧する押圧治具に、低加重状態と高加重状態とに切り換え可能な加重付加機構部を設けると共に、実質的に低加重領域で作動させ、高加重領域で非作動にする超音波付加機構部を設けたことを特徴とするものであるから、超音波振動により、一方部材と他方部材との中央部の接触部において滑り摩擦と固着摩擦を混在させた状態を生じさせて、バンプ電極や他方部材の構成金属の新生面を生成して確実に接合すると共に、バンプ電極や他方部材の構成金属の新生面を生成しながら、接合部を中央部から周辺部へと拡大していくことによって、大きな接合強度で、かつ低電気抵抗で接合することが出来、高い信頼度の接合を行なうことが出来る。また、接合面積が所定値に達した高加重領域では、超音波振動を付加しないで高加重のみを付加することによって、超音波振動エネルギが一方部材および／または他方部材にダメージを与えることがなく、割れやクラックが生じない。さらに、接合部の横断面形状を楕円形状ではなく真円ないし真円に近い形状にすることが出来、バンプ電極が密接して形成されている高密度実装型の半導体装置においても、隣接するバンプ電極相互間で短絡したり、耐電圧または絶縁抵抗が極端に小さくなったりすることを防止することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の接合方法について説明する加重および超音波振動の付加説明図である。
【図２】（Ａ）は本発明の接合方法における低加重領域の当初期間のバンプ電極形状について説明する要部拡大正面図、
（Ｂ）は本発明の接合方法における低加重領域の後続期間のバンプ電極形状について説明する要部拡大正面図、
（Ｃ）は本発明の接合方法における高加重領域のバンプ電極形状について説明する要部拡大正面図である。
【図３】（Ａ）は本発明の接合方法における低加重領域の当初期間での接合部の拡大横断面形状図、
（Ｂ）は本発明の接合方法における低加重領域の後続期間での接合部の拡大横断面形状図、
（Ｃ）は本発明の接合方法における高加重領域での接合部の拡大横断面形状図である。
【図４】（Ａ）は本発明の異なる実施形態の接合方法について説明する加重および超音波振動の付加説明図、
（Ｂ）は本発明のさらに異なる実施形態の接合方法について説明する加重および超音波振動の付加説明図である。
【図５】本発明の接合装置の模式的な概略構成図である。
【図６】（Ａ）はバンプ電極を有する半導体チップの裏面図、
（Ｂ）は（Ａ）の半導体チップの正面図である。
【図７】（Ａ）は図６の半導体チップを基板の電極に接合する前の正面図、
（Ｂ）は図６の半導体チップを基板の電極に接合した後の正面図である。
【図８】従来の接合方法について説明する加重および超音波振動の付加説明図である。
【図９】図７（Ｂ）の接合後の半導体装置における不良状態を示す接合部の要部拡大横断面形状図である。
【符号の説明】
１０ 半導体装置チップ（一方部材）
１１ バンプ電極
１２ 基板（他方部材）
１３ 電極
２０ 台
２１ ヒータ
３０ コレット（押圧部材）
４０ 加重付加機構部
５０ コントローラ
６０ 超音波ホーン
７０ 超音波発振器
８０ サーボモータ
９０ サーボドライバ
１００ コンピュータ
ＬＰ 低加重領域
ＬＰ１ 低加重領域の当初期間
ＬＰ２ 低加重領域の後続期間
ＨＰ 高加重領域
ＷＶ１ 低加重領域の可変加重
ＷＶ２ 高加重領域の可変加重
ＵＳ 超音波振動
ＵＳＶ１ 振動エネルギが漸減型の可変超音波振動
ＵＳＶ２ 振動エネルギが漸増型の可変超音波振動
ａ 接合部の小さい横断面真円形状
Ａ 接合部の真円ないし真円に近い横断面形状
【発明の属する技術分野】
本発明は接合方法および接合装置に関し、特に、フリップチップ実装、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）やＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ ＰａｃｋａｇｅまたはＣｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ）などのバンプ電極を有する半導体チップを、バンプ電極を介してリードフレームや基板の電極に接合する場合に好適な接合方法および接合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フリップチップ実装やＢＧＡやＣＳＰなどのバンプ電極による接合タイプの半導体装置においては、半導体チップの裏面に設けられたバンプ電極を介して、リードフレームや基板の電極に接合している。例えば、半導体チップを基板の電極に実装する場合は、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、半導体チップ１０の裏面に設けられたＡｕよりなる複数のバンプ電極１１を、図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、基板１２のＡｕめっきして形成された複数の電極１３に接合した半導体装置１１０は、所謂フェースダウンボンディング構造を有する。なお、１１ａは、キャピラリに挿通したＡｕワイヤの先端部をトーチによって球状にして半導体チップ１０にボンディングした後、キャピラリを水平移動させてＡｕワイヤを引き千切り、必要に応じて切断端部をスタンピングまたはトーチ加熱によって整形したテール部である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このバンプ電極１１と電極１３の接合のため、半導体チップ１０には、上方から加重を付加して複数のバンプ電極１１を押し潰して、複数の電極１３に同時に接合しているが、このような接合方法によってバンプ電極１１と電極１３とを接合した半導体装置１１０では、接合強度が小さいために、剥離試験で簡単に剥離したり、あるいは接続部の電気抵抗が過大になったりする、接合不良が生じる場合があった。
【０００４】
その原因は、半導体チップ１０にバンプ電極１１を形成した後や、基板１２に電極１３をめっき形成した後の保管雰囲気や保管期間によっては、バンプ電極１１および／または電極１３の表面に酸化膜が形成されたり、コンタミネーション膜が生じたりするによって、この酸化膜やコンタミネーション膜を介してバンプ電極１１と電極１３とが接合される結果、バンプ電極１１と電極１３との構成金属であるＡｕ同士が直接接合されていないか、あるいはその直接接合面積が小さいために、接合強度が小さく剥離試験で簡単に剥がれたり、あるいはその接合部の電気抵抗が大きくなったりする重大な問題点があった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平３−２４６９４６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、半導体チップ１０を、複数のバンプ電極１１を介して、基板１２の複数の電極１３に接合する場合に、図８に示すように、半導体チップ１０を吸着したコレットに、前半部ＰＦ（例えば、０〜２５０ｍｓの期間）では加重が徐々に大きくなる可変加重Ｗ１を加重Ｇ（例えば、１，２５０ｇ）に達するまで付加し、後半部ＰＢ（例えば、２５０〜５００ｍｓの期間）では加重Ｇ（例えば１，２５０ｇ）の一定加重Ｗ２を付加すると共に、前半部ＰＦおよび後半部ＰＢのほぼ全領域で、かなり大きな超音波ネルギＰ（例えば、１ｗ）の超音波振動ＵＳを付加することが行なわれている。
【０００７】
このような加重と超音波振動との付加によって、バンプ電極１１および／または電極１３の酸化膜やコンタミネーション膜が破壊されて、バンプ電極１１と電極１３とが、それぞれの構成金属であるＡｕの新生面生成によって接合されることによって、大きな接合強度で、かつ低電気抵抗で接合することができる。
【０００８】
しかしながら、上記のように、前半部ＰＦおよび後半部ＰＢのほぼ全期間にわたって超音波振動ＵＳを付加し続けた場合、バンプの接合が完了しているにもかかわらず振動を加え続けることになり、その超音波振動エネルギがほとんど半導体チップ１０に加えられるようになる結果、半導体チップ１０の受けるストレスが過大になってダメージが大きくなり、半導体チップ１０に割れやクラックが生じるという問題点があった。
【０００９】
また、後半部ＰＢのような高加重領域において超音波振動ＵＳを付加し続けると、振動によりバンプの変形も促進され、かつ、振動の加振方向に延ばされる現象が発現する。図９に示すように、バンプ電極１１による接合部の横断面形状が楕円形状Ｂになって、バンプ電極１１，１１間の間隔寸法Ｌ２が、接合部の横断面形状が真円形状Ａの場合の間隔寸法Ｌ１に比較して小さくなる。
【００１０】
このため、隣接するバンプ電極１１，１１間の間隔寸法Ｌが小さい高密度実装型半導体装置の場合は、隣接するバンプ電極１１，１１間の間隔寸法Ｌ２が小さくなり過ぎて、耐電圧および／または絶縁抵抗が規格値よりも小さくなることがあった。また、前記半導体チップ１０全体の接合初期位置からの移動量が大きい場合、あるいは接合前の複数のバンプ電極１１，１１間で、大きさのばらつきがある場合は、大きいバンプ電極の潰れ量が大きいために、隣接するバンプ電極１１，１１間で短絡（１４）する場合もあるという問題点があった。
【００１１】
一方、このような隣接するバンプ電極１１，１１間での短絡や絶縁耐圧、絶縁抵抗の低下を生じさせないためには、バンプ電極１１，１１間の間隔寸法Ｌを大きく設計しなければならず、高密度実装が実現出来ないという問題点があった。
【００１２】
そこで、本発明は、半導体チップなどの一方部材と、基板の電極やリードフレームなどの他方部材とを、バンプ電極を介して、かつ加重および超音波振動を付加して接合する場合に、接合強度が大きく、低電気抵抗で、しかも半導体チップなどに対するダメージが小さく、半導体チップなどに割れやクラックが生じない接合方法および接合装置を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載された接合方法は、一方部材と他方部材とをバンプ電極を介して加重および超音波振動を付加して接合する方法において、接合プロセスを前半の低加重領域と、後半の高加重領域とに分け、実質的に低加重領域のみに超音波振動を付加することを特徴とするものである。
【００１４】
ここで、上記の「前半」および「後半」なる用語は、接合プロセスの順序を示すもので、必ずしも加重を付加する時間を１／２ずつに分割することを意味するものではなく、それぞれの時間は、バンプ電極の大きさや材質などによって、適宜設定されることを意味する。
【００１５】
また、上記の「実質的に」なる用語は、文字通り「低加重領域のみに超音波振動を付加する」場合のみならず、超音波振動の切断のタイミングによって、「高加重領域においても極めて短時間だけ超音波振動が付加される」場合や、「高加重領域において低加重領域に比較して格段に小さい超音波振動を付加する」場合をも含むことを意味するものである。
【００１６】
上記の接合方法によれば、まず、バンプ変形による新生面生成の効果が期待出来ない接合初期、すなわち、バンプ中央部の接合段階においては、超音波振動の付加によって、接触部において滑り摩擦と固着摩擦を混在させた状態を生じさせて、バンプ電極やその相手方部材の電極表面の酸化膜やコンタミネーション膜が破壊されて、バンプ電極や他方部材の構成金属の新生面生成によりバンプ電極の中央部と相手方部材の中央部とが確実に接合される。
【００１７】
この際、低加重領域下で各バンプを均一に、かつ、確実に接合させる方法として、超音波振動の加振速度を低く設定する方がよい。その手段として、▲１▼超音波パワーを下げ振幅を小さくする、▲２▼超音波周波数を低くする、などが挙げられる。超音波振動の加振速度を低く設定する方がよい理由として、超音波パワーを上げたり、超音波周波数を高くしたりすることの弊害として、コレット−チップ間の滑りが大きくなることと、バンプの変形により超音波振動が接合点に伝わらないことの２点が挙げられる。
【００１８】
次いで、実質的に高加重のみが付加されることによって、バンプ電極の水平方向の変形により構成金属の新生面を生成しながら接合部を周辺部に拡大していくことにより、バンプ電極と他方部材とを確実に接合することが出来る。この２つのプロセスにより、バンプ中央部、周辺部のいずれも接合強度が大きく、かつ、低電気抵抗で接合することが出来る。
【００１９】
また、前述のように、接合が進行してからも超音波振動を付加し続けると、超音波振動エネルギが接合部を振動させるには満たなくなる結果、超音波振動エネルギは一方部材および／または他方部材に与えられるようになるが、上記のように実質的に低加重領域のみで超音波振動を付加することによって、接合が進行してからは、実質的に超音波振動を付加することなく、高加重のみが付加される結果、一方部材および／または他方部材に超音波振動によって与えられるストレスがなくなって、一方部材および／または他方部材の割れやクラックを無くすことが出来る。
【００２０】
さらに、高加重領域では超音波振動を付加しないので、超音波振動による過剰なバンプ変形が起きず、また、加振による接合部の横断面形状が楕円形状になることがなく、真円ないし真円に近い形状になるので、高密度実装型の半導体装置などにおいて、さらには当初のバンプ電極間に大きさのばらつきがあっても、隣接するバンプ電極間で短絡を生じたり、耐電圧、絶縁抵抗が規格範囲を外れたりすることがなくなる。
【００２１】
請求項２に記載された接合方法は、前記低加重領域および／または高加重領域において、加重が徐々に増大する可変加重を付加することを特徴とするものである。
【００２２】
ここで、上記の「加重が徐々に増大する可変加重」なる用語は、いわゆるランプ加重と称されるもので、一定割合で加重が増大するの場合のみならず、加重の増大割合が変化する場合を含むことを意味する。
【００２３】
上記の接合方法によれば、低加重領域で加重と超音波振動による摩擦のバランスが所定値に達した時点から、接触面の接合が始まる。すなわち、低加重領域で一定加重を付加する場合は、加重と超音波振動による摩擦のバランスの最適な加重を設定しなければならないが、その値は個々のバンプ毎に異なりばらつきを持っているので、条件設定は困難である。しかし、上記の可変加重を付加する場合には、付加される加重が徐々に大きくなることによって、加重と超音波振動による摩擦のバランスが最適値に達する時点で自動的に接合が開始されるようになり、煩雑なタイミング加重設定をすることが不要になる。
【００２４】
請求項３に記載された接合方法は、前記一方部材がバンプ電極を有する半導体チップであり、前記他方部材がリードフレームまたは電極を有する基板であることを特徴とするものである。
【００２５】
上記の接合方法によれば、バンプ電極を有する半導体チップとリードフレームまたは電極を有する基板とを、バンプ電極を介して、接合強度が大きく、かつ、低電気抵抗で接合することが出来、半導体チップに割れやクラックが生じないで、しかも接合部間で短絡したり、耐電圧や絶縁抵抗が低下したりすることがなく、高信頼度のフリップチップ型や、ＣＳＰ型の半導体装置を得ることが出来る。
【００２６】
請求項４に記載された接合方法は、前記低加重領域および高加重領域において、接合部を加熱することを特徴とするものである。
【００２７】
上記の接合方法によれば、接合部を加重および超音波振動に加えて、さらに加熱することによって、常温下における接合に比較して接合性が向上されて、加重エネルギおよび／または超音波振動エネルギを低減することが出来る。あるいは、同一の加重エネルギおよび／または超音波振動エネルギの下では、接合強度をより大きく、かつ接合部の電気抵抗をより小さくすることが出来る。
【００２８】
請求項５に記載された接合装置は、一方部材を他方部材にバンプ電極を介して加重および超音波振動を付加して接合する接合装置において、前記一方部材および／または他方部材を押圧する押圧機構に、低加重状態と高加重状態とに連続的に切り換え可能な加重付加機構部を設けると共に、実質的に低加重領域で作動させ、高加重領域で非作動にする超音波付加機構部を設けたことを特徴とするものである。
【００２９】
上記の接合装置によれば、コレットなどの押圧治具に付加される加重や超音波振動の状態を切り換えて、一方部材と他方部材とを、バンプ電極を介して、接合強度が大きく、かつ、低電気抵抗で接合することが出来、高信頼度の接合をすることが出来る。しかも、一方部材および／または他方部材に超音波振動エネルギによる過大なストレスを与えないので、一方部材および／または他方部材に割れやクラックを生じることがない。さらに、接合部の断面形状を真円ないし真円に近い形状に出来るので、隣接するバンプ電極間で短絡や耐電圧低下、絶縁抵抗低下を生じることない。
【００３０】
請求項６に記載された接合装置は、前記加重付加機構部が、ボイスコイルモータを具備することを特徴とするものである。
【００３１】
上記の接合装置によれば、ボイスコイルモータに流す電流の大きさを制御することによって、可変加重を高精度で制御することが可能であり、高信頼度の接合装置を得ることが出来る。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の接合方法および接合装置の実施形態について、図面を参照して説明する。まず、図１は本発明の接合方法における加重および超音波振動の付加要領について説明する図である。図２（Ａ）ないし図２（Ｃ）は本発明の接合方法における接合プロセスの低加重領域および高加重領域でのバンプ電極の潰れ具合について説明する要部拡大正面図であり、図３（Ａ）ないし図３（Ｃ）は前記図２（Ａ）ないし図２（Ｃ）の各段階における接合部の横断面形状を示す。
【００３３】
図１および図２（Ａ）ないし図２（Ｃ）は、Ａｕワイヤなどで形成された複数のバンプ電極１１を有する半導体チップ１０と、複数のＡｕ，Ｐｄ，Ａｇその他のめっき処理された電極１３を有する基板１２とを、前記バンプ電極１１を介して接合する場合の接合プロセスを、前半の低加重領域ＬＰと後半の高加重領域ＨＰとに分け、低加重領域ＬＰをさらに、当初期間ＬＰ１と後続期間ＬＰ２に分けている。
【００３４】
そして、当初期間ＬＰ１（例えば、０〜５０ｍｓ程度）では、極小さい加重からその大きさが徐々に増大し、しかもその傾斜角度が小さい可変加重ＷＶ１のみを付加し、可変加重ＷＶ１が若干増大した後続期間ＬＰ２（例えば、５０〜４００ｍｓ程度）では、前記可変加重ＷＶ１に、従来よりも小さい一定の出力Ｐ（例えば、０．１〜０．５ｗ程度）の超音波振動ＵＳを加重Ｇ１（例えば、５００〜７００ｇ程度）に達するまで付加し、高加重領域ＨＰ（例えば、４００〜５００ｍｓ程度）では、超音波振動ＵＳを止めて、前記可変加重ＷＶ１よりも大きい傾斜角度で徐々に増大する可変加重ＷＶ２のみを加重Ｇ２（例えば、１，５００〜２，０００ｇ程度）に達するまで付加する場合を示している。
【００３５】
次に、このときのバンプ電極１１の形状変化および接合部の横断面形状変化について説明する。まず、図２（Ａ）および図３（Ａ）は低加重領域ＬＰの当初期間ＬＰ１におけるバンプ電極１１の形状および接合部の横断面形状を示し、半導体チップ１０のバンプ電極１１が、基板１２の電極１３に接触した後、低加重領域ＬＰの当初期間ＬＰ１では、その大きさが小さく、かつ加重の増大の傾斜角度が小さい可変加重ＷＶ１のみが付加されて、バンプ電極１１のテール部１１ａが若干潰される。
【００３６】
続いて、図１の低加重領域ＬＰの後続期間ＬＰ２では、前記可変加重ＷＶ１に超音波振動ＵＳが付加されて、図２（Ｂ）に示すように、バンプ電極１１の先端部１１ａが、可変加重Ｗ１によってさらに押し潰されると共に、超音波振動ＵＳにより接触部において滑り摩擦と固着摩擦を混在させた状態を生じさせ、その接触部の酸化膜やコンタミネーション膜が十分に破壊されて、バンプ電極１１や電極１３の構成金属の新生面が生成されることによって、バンプ電極１１と電極１３とが新生面同士の接合により、接合部が中央部から周辺部へと徐々に面積を増大しながら確実に接合されていく。
【００３７】
このとき、接合部は、図３（Ｂ）に示すように、可変加重ＷＶ１による押し潰しによって、その断面積Ｓ２が大きくなるが、超音波振動ＵＳのエネルギが小さいため、過剰なバンプ変形や水平方向への半導体チップ１０の移動応力を発生させないため、超音波振動ＵＳの付加にも関わらず真円ないし真円に近い形状Ａ’になる。
【００３８】
高加重領域ＨＰでは、超音波振動ＵＳの付加を止め、前記可変加重ＷＶ１よりも加重増大の傾斜角度が大きい可変加重ＷＶ２のみを付加する。この段階では、図２（Ｃ）および図３（Ｃ）に示すように、バンプ電極１１が加重により水平方向に延ばされるように大きく変形するため、酸化膜やコンタミネーション膜が破壊され続けて、バンプ電極１１や基板電極１３の構成金属の新生面が生成されてその接合部位が周辺部に拡大していく。
【００３９】
ここで、高加重領域ＨＰでは、超音波振動ＵＳの付加を止めているので、接合が進行しても、半導体チップ１０に過大な超音波エネルギが与えられることがなく、したがって、半導体チップ１０に過大なダメージが与えられることがないため、半導体チップ１０に割れやクラックが生じることがない。
【００４０】
さらに、可変加重ＷＶ２のみの付加によってバンプ電極１１がほぼ円形に押し潰されることによって、接合部が中央部から周辺部へと拡大していき、接合面積Ｓ３が大きな真円ないし真円に近い形状Ａになる。このため、高密度実装型の半導体装置にあっても、隣接するバンプ電極１１，１１相互間で短絡したり、短絡しないまでも隣接するバンプ電極１１，１１間の間隔寸法が小さくなって、耐電圧や絶縁抵抗が極端に低下したりすることがなく、大きな接合強度および低電気抵抗で、半導体チップ１０のバンプ電極１１と基板１２の電極１３とが接合された半導体装置１１０が得られる。
【００４１】
なお、上記の実施形態では、低加重領域ＬＰおよび高加重領域ＨＰ共に、加重が徐々に増大する可変加重ＷＶ１およびＷＶ２を付加する場合について説明したが、いずれか一方または両方において、一定加重を付加するようにしてもよい。
【００４２】
また、上記実施形態では、一定の大きさの超音波振動ＵＳを付加する場合について説明したが、時間と共に超音波エネルギが変化する可変超音波振動ＵＳＶを付加するようにしてもよい。このように可変超音波振動ＵＳＶを付加する場合、図４（Ａ）に示すように、超音波エネルギの大きさがＰ２からＰ１に徐々に減少する漸減型の可変超音波振動ＵＳＶ１を付加するようにしてもよいし、図４（Ｂ）に示すように、超音波エネルギの大きさがＰ３からＰ４まで徐々に増大する漸増型の可変超音波振動ＵＳＶ２を付加するようにしてもよい。
【００４３】
前者の漸減型の可変超音波振動ＵＳＶ１を付加する場合は、最初に大きな超音波振動を付加して、接触部において滑り摩擦と固着摩擦を混在させた状態を生じさせて、バンプ電極１１や電極１３の酸化膜やコンタミネーション膜を十分に破壊しておいて、バンプ電極１１と電極１３とを新生面生成により確実に接合すると共に、徐々に超音波振動エネルギを低減させることによって、接合面積が所定値に達した後は、超音波エネルギが接合部よりも半導体チップ１０に与えられることに起因する、半導体チップ１０のダメージを軽減して、半導体チップ１０の割れやクラックを防止することが出来る。
【００４４】
後者の漸増型の可変超音波振動ＵＳＶ２を付加する場合は、最初に小さい超音波振動を付加して、接触部において滑り摩擦と固着摩擦を混在させた状態を生じさせるとともに、半導体チップ１０に与えるダメージを抑制し、接合面積の増大に伴って、それに対向し得るだけの加重および超音波振動エネルギを徐々に増大して、接触部において徐々に増大する滑り摩擦と固着摩擦を混在させた状態を生じさせるので、バンプ数が多い場合の接合強度のばらつきを低減することが出来る。
【００４５】
また、上記の各実施形態の接合方法において、低加重領域および高加重領域にわたって、基板１２を加熱するようにしてもよい。このように基板１２を加熱すると、バンプ電極１１および／または電極１３の接合が促進される結果、加重および／または超音波振動エネルギを低減することが出来る利点がある。この加熱温度は、バンプ電極１１の大きさや材質、あるいは加重や超音波振動エネルギなどに応じて、例えば、常温以上で、かつ２５０℃以下の間に適宜設定される。
【００４６】
図５は本発明の実施形態に係る接合装置の模式的な概略構成図を示す。半導体チップ１０のバンプ電極１１と基板１２の電極１３（図示省略）とを接合する場合に、基板１２を載置する台２０と、この台２０内に配設された基板１２を加熱するヒータ２１と、半導体チップ１０を吸着して搬送し、接合に際して吸着した半導体チップ１０を基板１２に押圧する押圧部材であるコレット３０と、このコレット３０に可変加重ＷＶ１およびＷＶ２を選択的に付加するボイスコイルモータを具備する加重付加機構部４０と、この加重付加機構部４０のボイスコイルモータに与える電流を制御するコントラーラ５０と、前記コレット３０に超音波振動を付加する超音波ホーン６０と、この超音波ホーン６０の超音波振動を制御する超音波発振器７０と、前記コレット３０を上下動作させるサーボモータ８０と、このサーボモータ８０の上下動作を制御するサーボドライバ９０と、前記コントローラ５０と超音波発振器７０とサーボドライバ９０を制御するコンピュータ１００とを具備する。
【００４７】
前記加重付加機構部４０は、前述のように、ボイスコイルモータを具備しており、ボイスコイルモータのボイスコイルへの通電電流の大きさを、コントローラ５０によって変化させることによって、前記コレット３０に付加される加重を高精度で変化できるようになっている。
【００４８】
そして、サーボドライバ９０によって、コレット３０を上昇および下降動作させ、さらに図示しないサーボモータによって水平方向に移動させて、半導体チップ１０のピックアップおよびボンディングを行なう。すなわち、コレット３０を上昇および水平移動させて、コレット３０が半導体チップ１０のピックアップポジションの上方位置になると、コレット３０が下降して半導体チップ１０を吸着する。
【００４９】
半導体チップ１０を吸着したコレット３０は、サーボモータ８０によって上昇し、次いで、コレット３０を水平移動させて、半導体チップ１０のボンディングポジションの上方位置になると、コレット３０を下降させる。そして、コレット３０に加重付加機構部４０によって加重を付加すると共に、超音波ホ−ン６０によって超音波振動を付加して、半導体チップ１０を基板１２の電極１３に接合（ボンディング）する。
【００５０】
この接合時において、前述のとおり、低加重領域ＬＰの当初期間ＬＰ１では、コンピュータ１００によって、加重付加機構部４０のみを作動させ、後続期間ＬＰ２では、加重付加機構部４０と共に超音波発振器７０を作動させ、さらに高加重領域ＨＰでは、超音波発振器７０を停止させ、再び加重付加機構部４０のみを作動させる。
【００５１】
ここで、前述のように、低加重領域ＬＰの当初期間ＬＰ１では、ボイスコイルモータによって加重が小さな傾斜角度で徐々に増大する可変加重ＷＶ１を付加すると共に、後続期間ＬＰ２では、可変加重ＷＶ１に加えて超音波振動ＵＳを付加し、また、高加重領域ＨＰではボイスコイルモータによって加重が大きな傾斜角度で徐々に増大する可変加重ＷＶ２を付加すると共に、超音波ホーン６０の超音波振動を停止させることによって、半導体チップ１０のバンプ電極１１と基板１２の電極１３とが接合される。
【００５２】
前記加重付加機構部４０では、その加重出力が、前述のように、低加重領域ＬＰでは小さい傾斜角度で徐々に増大する可変加重ＷＶ１にしてもよいし、大きさが小さい一定加重にしてもよい。また、高加重領域ＨＰでは可変加重ＷＶ１よりも大きい傾斜角度で徐々に増大する可変加重ＷＶ２にしてもよいし、大きさが前記一定加重よりも大きい一定加重にしてもよい。
【００５３】
また、前記超音波ホーン６０の超音波振動エネルギは、図１に示すように、一定にしてもよいし、図４（Ａ）に示すように、その大きさが徐々に減少する漸減型の可変超音波振動ＵＳＶ１でもよいし、図４（Ｂ）に示すように、その大きさが徐々に増大する漸増型の可変超音波振動ＵＳＶ２でもよい。
【００５４】
このようにして、半導体チップ１０のバンプ電極１１を介して基板１２の電極１３への接合が終わると、加重の付加が停止される。すると、前記と逆の動作で、コレット３０が上昇→水平移動→下降して、次の半導体チップ１０を吸着し、上昇→水平移動→下降する。一方、この間に、基板１２が１ピッチ分移動して、次の基板１２の電極１３に半導体チップ１０を接合する。
【００５５】
なお、上記の実施形態では、バンプ電極１１が、Ａｕワイヤをボンディング後、Ａｕワイヤを引き千切り、切断端部を整形したテール部１１ａを有する場合について説明したが、球状または半球状のバンプ電極であってもよいし、半導体チップと基板の電極とを接合する場合のみならず、半導体チップとリードフレームのリード部とを接合する場合でもよい。また、半導体装置以外の他の電子装置においてバンプ電極を介して接合する場合にも適用することが出来る。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の接合方法は、一方部材と他方部材とをバンプ電極を介して加重および超音波振動を付加して接合する方法において、接合プロセスを前半の低加重領域と、後半の高加重領域とに分け、実質的に低加重領域のみに超音波振動を付加することを特徴とするものであるから、超音波振動により、一方部材と他方部材との中央部の接触部において滑り摩擦と固着摩擦を混在させた状態を生じさせて、バンプ電極や他方部材の構成金属の新生面を生成して確実に接合すると共に、バンプ電極や他方部材の構成金属の新生面を生成しながら、接合部を中央部から周辺部へと拡大していくことによって、大きな接合強度で、かつ低電気抵抗で接合することが出来、高い信頼度の接合を行なうことが出来る。また、接合面積が所定値に達した高加重領域では、超音波振動を付加しないで高加重のみを付加することによって、超音波振動エネルギが一方部材および／または他方部材にダメージを与えることがなく、割れやクラックが生じない。さらに、高加重領域で超音波振動を加えないため、接合部の横断面形状を楕円形状ではなく真円ないし真円に近い形状にすることが出来、バンプ電極が密接して形成されている高密度実装型の半導体装置においても、隣接するバンプ電極相互間で短絡したり、耐電圧または絶縁抵抗が極端に小さくなったりすることを防止することが出来る。
【００５７】
また、本発明の接合装置は、一方部材を他方部材にバンプ電極を介して加重および超音波振動を付加して接合する接合装置において、前記一方部材および／または他方部材を押圧する押圧治具に、低加重状態と高加重状態とに切り換え可能な加重付加機構部を設けると共に、実質的に低加重領域で作動させ、高加重領域で非作動にする超音波付加機構部を設けたことを特徴とするものであるから、超音波振動により、一方部材と他方部材との中央部の接触部において滑り摩擦と固着摩擦を混在させた状態を生じさせて、バンプ電極や他方部材の構成金属の新生面を生成して確実に接合すると共に、バンプ電極や他方部材の構成金属の新生面を生成しながら、接合部を中央部から周辺部へと拡大していくことによって、大きな接合強度で、かつ低電気抵抗で接合することが出来、高い信頼度の接合を行なうことが出来る。また、接合面積が所定値に達した高加重領域では、超音波振動を付加しないで高加重のみを付加することによって、超音波振動エネルギが一方部材および／または他方部材にダメージを与えることがなく、割れやクラックが生じない。さらに、接合部の横断面形状を楕円形状ではなく真円ないし真円に近い形状にすることが出来、バンプ電極が密接して形成されている高密度実装型の半導体装置においても、隣接するバンプ電極相互間で短絡したり、耐電圧または絶縁抵抗が極端に小さくなったりすることを防止することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の接合方法について説明する加重および超音波振動の付加説明図である。
【図２】（Ａ）は本発明の接合方法における低加重領域の当初期間のバンプ電極形状について説明する要部拡大正面図、
（Ｂ）は本発明の接合方法における低加重領域の後続期間のバンプ電極形状について説明する要部拡大正面図、
（Ｃ）は本発明の接合方法における高加重領域のバンプ電極形状について説明する要部拡大正面図である。
【図３】（Ａ）は本発明の接合方法における低加重領域の当初期間での接合部の拡大横断面形状図、
（Ｂ）は本発明の接合方法における低加重領域の後続期間での接合部の拡大横断面形状図、
（Ｃ）は本発明の接合方法における高加重領域での接合部の拡大横断面形状図である。
【図４】（Ａ）は本発明の異なる実施形態の接合方法について説明する加重および超音波振動の付加説明図、
（Ｂ）は本発明のさらに異なる実施形態の接合方法について説明する加重および超音波振動の付加説明図である。
【図５】本発明の接合装置の模式的な概略構成図である。
【図６】（Ａ）はバンプ電極を有する半導体チップの裏面図、
（Ｂ）は（Ａ）の半導体チップの正面図である。
【図７】（Ａ）は図６の半導体チップを基板の電極に接合する前の正面図、
（Ｂ）は図６の半導体チップを基板の電極に接合した後の正面図である。
【図８】従来の接合方法について説明する加重および超音波振動の付加説明図である。
【図９】図７（Ｂ）の接合後の半導体装置における不良状態を示す接合部の要部拡大横断面形状図である。
【符号の説明】
１０ 半導体装置チップ（一方部材）
１１ バンプ電極
１２ 基板（他方部材）
１３ 電極
２０ 台
２１ ヒータ
３０ コレット（押圧部材）
４０ 加重付加機構部
５０ コントローラ
６０ 超音波ホーン
７０ 超音波発振器
８０ サーボモータ
９０ サーボドライバ
１００ コンピュータ
ＬＰ 低加重領域
ＬＰ１ 低加重領域の当初期間
ＬＰ２ 低加重領域の後続期間
ＨＰ 高加重領域
ＷＶ１ 低加重領域の可変加重
ＷＶ２ 高加重領域の可変加重
ＵＳ 超音波振動
ＵＳＶ１ 振動エネルギが漸減型の可変超音波振動
ＵＳＶ２ 振動エネルギが漸増型の可変超音波振動
ａ 接合部の小さい横断面真円形状
Ａ 接合部の真円ないし真円に近い横断面形状
Claims (6)
- 一方部材と他方部材とをバンプ電極を介して加重および超音波振動を付加して接合する方法において、
接合プロセスを前半の低加重領域と、後半の高加重領域とに分け、実質的に低加重領域のみに超音波振動を付加することを特徴とする接合方法。 - 前記低加重領域および／または高加重領域において、加重が徐々に増大する可変加重を付加することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
- 前記一方部材がバンプ電極を有する半導体チップであり、前記他方部材がリードフレームまたは電極を有する基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の接合方法。
- 前記低加重領域および高加重領域において、接合部を加熱することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の接合方法。
- 一方部材を他方部材にバンプ電極を介して加重および超音波振動を付加して接合する接合装置において、
前記一方部材および／または他方部材を押圧する押圧治具に、低加重状態と高加重状態とに切り換え可能な加重付加機構部を設けると共に、実質的に低加重領域で作動させ、高加重領域で非作動にする超音波付加機構部を設けたことを特徴とする接合装置。 - 前記加重付加機構部が、ボイスコイルモータを具備することを特徴とする請求項５に記載の接合装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003095044A JP2004303952A (ja) | 2003-03-31 | 2003-03-31 | 接合方法および接合装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2003095044A JP2004303952A (ja) | 2003-03-31 | 2003-03-31 | 接合方法および接合装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004303952A true JP2004303952A (ja) | 2004-10-28 |
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ID=33407462
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003095044A Withdrawn JP2004303952A (ja) | 2003-03-31 | 2003-03-31 | 接合方法および接合装置 |
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| JP (1) | JP2004303952A (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012057823A (ja) * | 2010-09-06 | 2012-03-22 | Denso Corp | 磁気冷凍材料を用いたマイクロチャネル熱交換器の製造方法 |
| CN106206339A (zh) * | 2016-07-12 | 2016-12-07 | 中南大学 | 一种微铜柱间铜铜直接热超声倒装键合方法及其装置 |
-
2003
- 2003-03-31 JP JP2003095044A patent/JP2004303952A/ja not_active Withdrawn
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| CN106206339A (zh) * | 2016-07-12 | 2016-12-07 | 中南大学 | 一种微铜柱间铜铜直接热超声倒装键合方法及其装置 |
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