JP2005064149A - 超音波フリップチップ接合装置および接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波フリップチップ接合に際し、電気的接続の信頼性を向上するとともに、バンプの変形を抑制して電極ピッチの微細化に対応することを可能にする。
【解決手段】２軸方向に移動可能なテーブル２４上に載置される基板保持部２３に回路基板２２を保持する。半導体チップ２１を吸着ヘッド２５に吸着保持し、吸着ヘッドが超音波ホーン２６，２８およびブースタ２９，３１を介して支持されるホルダー４５を駆動手段３４によって下降させ、半導体チップを回路基板に押圧する。この状態で、吸着ヘッドに接するように設けられる２個の第１および第２超音波ホーン２６，２８から、半導体チップと半導体チップに予め設けられるボールバンプとに、異なる２方向から超音波振動を印加して接合する。このようにして接合されるバンプは、接合断面がほぼ円形形状を有するとともに、電気的接続信頼性を得るに充分な接合強度を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属バンプを介して半導体チップと回路基板とをフリップチップ接合するに際し、超音波振動を印加する超音波フリップチップ接合装置および接合方法に関する。

従来、たとえば半導体チップを回路基板またはパッケージに実装する手法には、半導体チップの電極と回路基板の電極またはパッケージとに、極細ワイヤの両端をそれぞれボンディングして電気的接続を得るワイヤボンディング接合方法が用いられていたけれども、近年では、より生産効率の高いフリップチップ接合方法が用いられるに至っている。

フリップチップ接合方法は、半導体チップの電極と、回路基板などの電極とを、導電性を有する接続部材であるバンプによって接合する実装方法である。このバンプには、形成プロセスが比較的容易である金（Ａｕ）ボールバンプが広く実用化されている。フリップチップ接合方法は、バンプを介して複数の接合箇所を一括して接合することができるので、基本的に接続箇所を１箇所ずつ順番に極細ワイヤでボンディングするワイヤボンディング接合方法に比べて生産効率が高いという利点を有している。またフリップチップ接合方法では、接合端子である電極の配置が半導体チップの周辺に限定されないので、接合端子の数を大幅に増大することができるとともに、半導体チップの実装面積を小さくすることができ、また回路の配線長さも短くすることができる。したがって、フリップチップ接合方法は、高密度実装や高速度半導体チップの実装などに適している。

このフリップチップ接合方法の具体的手法としては、導電性ペーストのような中間材を介してバンプと回路基板の電極とを接合する手法、また熱圧着や超音波併用熱圧着によって直接接合する手法などがある。後者の直接接合する手法は、中間材を省くことができ、工程数が少なく、さらに超音波を併用する手法では接合時間を短縮することができるという利点があるので、多用されるようになっている。

以下に超音波フリップチップ接合の概要について説明する。半導体チップの電極上に、ボールバンプ方式等でＡｕバンプを予め形成する。このＡｕバンプを形成した半導体チップのバンプ形成面を下向きにし、超音波ホーンに取り付けたボンディングツールによって吸着する。一方、２００℃程度に加熱した基板ステージ上に、電極用Ａｕめっきを施したセラミック基板を、めっきを施した面を上向きに載置する。半導体チップとセラミック基板とは、カメラ等により位置合わせを行った後、ボンディングツールを下降させ、半導体チップをセラミック基板上へ加圧し接合する。

この加圧接合のステップは、通常２段階に分けて行われる。第１段階では、Ａｕボールバンプのバンプ先端部を変形させて高さを均一化する。この第１段階では、０．５Ｗ程度の低出力で超音波振動を５００ｍｓ間印加する。次に第２段階では、３．０Ｗの出力で超音波振動を５００ｍｓ間印加しながら、加圧接合する。

図９は、従来の超音波フリップチップ接合装置１の構成を簡略化して示す系統図である。図９に示す超音波フリップチップ接合装置１は、前述のような超音波フリップチップ接合を実現するための典型的な装置を例示するものである。

超音波フリップチップ接合装置１は、基板ステージ２上に回路基板３を載置し、超音波振動子４と接して装着される超音波ホーン５と、超音波ホーン５に接して装着される支持部材６に半導体チップ７を吸着させ、超音波振動子４から超音波振動を発振し、超音波ホーン５および支持部材６を介して半導体チップ７および半導体チップ７に予め設けられるバンプ８へ超音波振動を印加して半導体チップ７と回路基板３とを、バンプ８を介して接続する（たとえば、特許文献１参照）。

図１０は、従来の超音波フリップチップ接合装置１によるバンプ８の形状を示す模式図である。図１０（ａ）は、超音波フリップチップ接合装置１による接合前のバンプ８の平面形状を示す。図１０（ｂ）は、超音波フリップチップ接合装置１により、矢符９方向に超音波振動を印加して接合した後のバンプ８の平面形状を示す。

フリップチップ接合においては、半導体チップと回路基板との接合強度が、バンプの接合面積に依存するので、高い接合強度を得るためには、バンプの接合面積を増加させなければならない。

しかしながら、従来の超音波フリップチップ接合装置１では、半導体チップ７およびバンプ８に対する超音波振動が、同一方向から印加されるので、図１０（ｂ）に示すように、接合後のバンプ８は、長径が超音波振動の印加方向に延びる楕円形に変形する。したがって、このようなバンプ８の接合形態では、短径方向から付加される応力に対しては、比較的小さな応力で剥離するという問題がある。また、バンプが楕円形のように、一方向に延びて変形するとき、電極寸法特に電極間寸法に対するバンプの変形許容量は、楕円の長径方向の寸法によって定まり、電極パッドが微細ピッチ化した場合、変形許容量が小さくなるので、長径方向においてバンプ同士が接触する、すなわち電極間が短絡するという問題が生じる。

特開２００１−１１０８５０号公報

本発明の目的は、超音波フリップチップ接合に際し、電気的接続の信頼性を向上するとともに、バンプの変形を抑制して電極ピッチの微細化に対応することのできる超音波フリップチップ接合装置および接合方法を提供することである。

本発明は、超音波振動を印加して、半導体チップと回路基板とをバンプを介して接合する超音波フリップチップ接合装置において、
回路基板を保持する基板保持部と、
基板保持部が載置され、少なくとも１軸以上の方向に移動可能なテーブルと、
半導体チップを吸着保持する吸着ヘッドと、
吸着ヘッドに接するように設けられる複数の超音波ホーンと、
複数の超音波ホーンのうち少なくとも２個以上にそれぞれ装着され、超音波振動を発振する超音波振動子と、
吸着ヘッドを基板保持部に対して近接離反するように駆動させる駆動手段とを含むことを特徴とする超音波フリップチップ接合装置である。

また本発明は、少なくとも２個以上の超音波ホーンに装着される超音波振動子は、
互いに異なる周波数の超音波振動を発振することができるように構成されることを特徴とする。

また本発明は、半導体チップと回路基板とをバンプを介して接合するに際し、超音波振動を印加するステップを含む超音波フリップチップ接合方法において、
半導体チップおよびバンプに対して、互いに異なる２以上の方向から超音波振動を印加することを特徴とする超音波フリップチップ接合方法である。

また本発明は、前記互いに異なる２以上の方向から印加する超音波振動の周波数が、
それぞれ異なることを特徴とする。

本発明によれば、回路基板と接合されるべき半導体チップを吸着保持する吸着ヘッドには、該ヘッドに接するように複数の超音波ホーンが設けられ、複数の超音波ホーンのうち少なくとも２個以上に超音波振動を発振する超音波振動子が、それぞれ装着される。このことによって、半導体チップおよび半導体チップに予め設けられるバンプに対する超音波振動の印加を少なくとも２以上の方向から行うことができるので、バンプの過度な変形を抑制し、電極のピッチ微細化に対応できる超音波フリップチップ接合装置を得ることができる。

また本発明によれば、少なくとも２個以上の超音波ホーンに装着される超音波振動子は、互いに異なる周波数の超音波振動を発振することができるように構成されるので、それぞれの超音波振動子から発振されて印加される超音波振動の周波数を互いに異なるものにすることができる。このことによって、一層円形に近い超音波振動印加領域とすることができるので、電極ピッチの微細化に対応できるとともに、電気的接続信頼性の高い半導体装置を常に歩留よく製造可能な超音波フリップチップ接合装置を得ることができる。

また本発明によれば、半導体チップと回路基板とをバンプを介して接合するに際し、半導体チップおよびバンプに対して、互いに異なる２以上の方向から超音波振動を印加するので、バンプが、一方向のみに過度に変形することなく、他方向へも変形することができきる。このようにして、バンプの過度の変形を抑制し、電極のピッチ微細化に対応することのできる超音波フリップチップ接合方法が実現される。

また本発明によれば、互いに異なる２以上の方向から印加する超音波振動の周波数が、それぞれ異なるように設定することができるので、バンプをほぼ円形に変形させることが可能になる。このようにして、電極のピッチ微細化に対応できるとともに、電気的接続信頼性が高い超音波フリップチップ接合方法を実現することができる。

図１は本発明の実施の一形態である超音波フリップチップ接合装置２０の構成を簡略化して示す系統図であり、図２は図１に示す超音波フリップチップ接合装置２０に備わる吸着ヘッド２５まわりの構成を簡略化して示す平面図である。超音波フリップチップ接合装置２０（以後、単に接合装置２０と略称する）は、超音波振動を印加して、半導体チップ２１と回路基板２２とを図示を省略するバンプを介して接合することに用いられる。

接合装置２０は、大略回路基板２２を保持する基板保持部２３と、基板保持部２３が載置され、少なくとも１軸以上の方向に移動可能なテーブル２４と、半導体チップ２１を吸着保持する吸着ヘッド２５と、吸着ヘッド２５に接するように設けられる３つの第１〜第３超音波ホーン２６，２７，２８と、３つの超音波ホーン２６，２７，２８のうち第１および第２超音波ホーン２６，２７の２つに、第１および第２ブースタ２９，３０を介してそれぞれ装着されて超音波振動を発振する第１および第２超音波振動子３２，３３と、吸着ヘッド２５を基板保持部２３に対して近接離反するように駆動させる駆動手段３４とを含んで構成される。

第１および第２超音波ホーン２６，２７に、第１および第２ブースタ２９，３０を介してそれぞれ装着される第１および第２超音波振動子３２，３３は、互いに異なる周波数の超音波振動を発振することができるように構成される。なお、本実施の形態の接合装置２０は、第３超音波ホーン２８に第３ブースタ３１が装着されるけれども、超音波振動子が装着されない構成である。

半導体チップ２１は、たとえばシリコン基板上に微細回路の形成されたものであり、その表面には、接続端子として複数のパッドが形成され、さらにパッド上に予めＡｕボールバンプが設けられる。回路基板２２は、その表面の実装位置に、半導体チップ２１に形成されるパッドに対応する接続端子として、半導体チップ２１に形成されるのと同数のパッドが形成されている。半導体チップ２１に形成されるパッド部と、回路基板２２に形成されるパッド部とが、Ａｕボールバンプを介して超音波振動を印加されて接合される。

回路基板２２は、前述のように基板保持部２３に保持され、基板保持部２３は、テーブル２４上に載置される。本実施の形態では、テーブル２４は、直交する２軸方向に移動可能なＸ−Ｙテーブルであり、図１の紙面では、左右のＸ軸方向と、前後のＹ軸方向とに可動である。このテーブル２４は、テーブル２４に接続されるテーブル制御部３５からの移動するべき座標位置を与える動作制御信号に従って、テーブル２４に載置される基板保持部２３すなわち回路基板２２を、Ｘ−Ｙ方向の所望の位置に移動させることができる。

接合装置２０には、回路基板２２を撮像するカメラ３６と、カメラ３６による画像情報に基づいて回路基板２２のＸ−Ｙ座標位置を認識する認識部３７と、認識部３７の出力に応答し、半導体チップ２１の位置に対応するように回路基板２２を移動させるべく、テーブル制御部３５に動作制御信号を出力する主制御部３８とが備えられる。

カメラ３６は、不図示の一軸テーブルに装着され、矢符３９方向に移動可能である。カメラ３６を一軸テーブルにより移動させて、吸着ヘッド２５の下面に吸着保持される半導体チップ２１と回路基板２２との間に進入させる。

半導体チップ２１を臨んで設けられる光源と、回路基板２２を臨んで設けられる光源とを、点灯切替し、半導体チップ２１のパッドおよび回路基板２２のパッドの位置を、カメラ３６の２視野光学系レンズを通して交互に撮影する。この画像情報に基づいて認識部３７が、半導体チップ２１と回路基板２２との相対的な位置ずれ量を算出する。算出した位置ずれ量は、主制御部３８によってテーブル２４の移動量に変換されてテーブル制御部３５に与えられ、テーブル制御部３５が該移動量に対応する動作制御信号を出力してテーブル２４を駆動し、テーブル２４上の回路基板２２をＸ軸方向および／またはＹ軸方向へ移動することにより補正される。このようにして、半導体チップ２１のＡｕボールバンプと回路基板２２のパッドとが位置合わせされる。

半導体チップ２１を吸着保持する吸着ヘッド２５は、たとえば鋼製であり、略直方体形状を有する。吸着ヘッド２５は、長手方向が上下方向に延びるように配置され、半導体チップ２1を吸着する下面には、吸着孔４０が形成される。吸着孔４０は、吸着ヘッド２５下面のほぼ中央部に形成され、下面から長手方向のほぼ中央部まで上に向かって延びる縦孔と、長手方向のほぼ中央部において縦孔に連通するように形成されて吸着ヘッド２５の側面に向かって延びる不図示の横孔とを含む。吸着孔４０の横孔は、吸着ヘッド２５の側面に開口し、この開口部には、不図示の吸着手段たとえば真空ポンプと配管系が接続される。このことによって、吸着ヘッド２５の吸着孔４０から大気を吸引し、その吸引力によって半導体チップ２１を吸着保持することができる。

第１〜第３超音波ホーン２６，２７，２８は、超音波振動の伝播部材であり、大略楔状の形状を有し、たとえば鉄鋼製の板部材である。第１〜第３超音波ホーン２６，２７，２８は、楔状の先細りに形成される側である一端部が、吸着ヘッド２５の３つの側面である第１〜第３側面４１，４２，４３に、それぞれ締結または溶接によって接続される。第１〜第３超音波ホーン２６，２７，２８は、前記一端部の反対側の端部である他端部が、第１〜第３ブースタ２９，３０，３１にそれぞれ接続される。

第１〜第３ブースタ２９，３０，３１は、超音波振動を増幅する機能を備える装置であり、円柱形状を有する。各ブースタ２９，３０，３１は、円柱の高さ方向におけるほぼ中央部に最小振動振幅点を有し、この最小振動振幅点付近で外周面から半径方向にわずかに突出した環状の装着支持部４４が形成される。各ブースタ２９，３０，３１は、平面形状が略Ｕ字状に形成されるホルダー４５の各支持片４５ａ，４５ｂ，４５ｃに、第１〜第３超音波ホーン２６，２７，２８が、それぞれ延びる方向と平行に形成される貫通孔に挿入され、それぞれの装着支持部４４において、ボルトで締付けられてホルダー４５に支持される。前述のように第１〜第３超音波ホーン２６，２７，２８は、円柱形状を有する第１〜第３ブースタ２９，３０，３１の高さ方向の一端部にそれぞれ接続される。

第１および第２ブースタ２９，３０の他端部には、第１および第２超音波振動子３２，３３がそれぞれ接続される。第１および第２超音波振動子３２，３３は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する圧電素子または磁歪素子等のようなエネルギー変換器である。超音波振動子には、特にジルコンチタン酸鉛などの圧電素子が好適に用いられる。第１および第２超音波振動子３２，３３は、超音波発振器４６に電気的に接続され、超音波発振器４６から供給される電力と信号に応じて、所定周波数の縦波の超音波振動を発生して出力する。また超音波発振器４６は、前記主制御部３８に電気的に接続され、主制御部３８からの動作制御信号によって、第１超音波振動子３２に発生させる超音波振動と、第２超音波振動子３３に発生させる超音波振動との周波数を互いに異なるようにすることができる。

本実施の形態では、第１および第２超音波ホーン２６，２７は、第１および第２超音波振動子３２，３３からそれぞれ発生される縦波として伝達された超音波振動に共振する共振周波数の最大振動振幅点から最大振動振幅点までの波長の整数倍の長さを有し、第１および第２ブースタ２９，３０は、第１および第２超音波振動子３２，３３からそれぞれ発生される縦波として伝達された超音波振動に共振する共振周波数の最大振動振幅点から最大振動振幅点までの波長の１／２、すなわち半波長の整数倍の長さを有するように形成される。

図３は、図２に示す超音波ホーンと吸着ヘッド２５との接続部を拡大して示す斜視図である。第１および第２超音波ホーン２６，２７は、第１および第２超音波振動子３２，３３で発生し、第１および第２ブースタ２９，３０を介して伝播される超音波振動が印加される方向、すなわち第１超音波ホーン２６では矢符４７方向、第２超音波ホーン２７では矢符４８方向に延びるように設けられる。したがって、第１および第２超音波ホーン２６，２７は、それぞれの超音波振動印加方向４７，４８に対しては長手方向になるので、変形しにくい特性を有する。しかしながら、板状に形成される第１および第２超音波ホーン２６，２７の薄肉方向であって、吸着ヘッド２５に接続された状態で、直方体形状を有する吸着ヘッド２５の短手方向に平行な方向には、弾性変形しやすい特性を有している。

したがって、第１超音波ホーン２６と第２超音波ホーン２７とによって吸着ヘッド２５に矢符４７方向と矢符４８方向の超音波振動をそれぞれ印加すると、まず吸着ヘッド２５には、第１および第２超音波ホーン２６，２７からの超音波振動印加により、矢符４７および矢符４８方向への弾性変形を生じる。次いで、第２超音波ホーン２７による矢符４８方向の超音波振動が吸着ヘッド２５を介して第１超音波ホーン２６へ伝播されることによって、第１超音波ホーン２６には薄肉方向、すなわち矢符４８の平行方向に弾性変形による振動が発生し、この振動が吸着ヘッド２５に伝えられて、吸着ヘッド２５の矢符４８方向の弾性変形に重畳される。同様に、第１超音波ホーン２６による矢符４７方向の超音波振動が吸着ヘッド２５を介して第２超音波ホーン２７へ伝播されることによって、第２超音波ホーン２７には薄肉方向、すなわち矢符４７の平行方向に弾性変形による振動が発生し、この振動が吸着ヘッド２５に伝えられて、吸着ヘッド２５の矢符４７方向の弾性変形に重畳される。

このように、第１および第２超音波ホーン２６，２７からの超音波振動印加による弾性変形に加えて、第１および第２超音波ホーン２６，２７が薄肉方向に弾性変形することによる振動に起因する弾性変形も重畳されるので、吸着ヘッド２５には、互いに直交する方向に振動が合成された超音波振動付加領域が発現する。図４は、接合装置２０において吸着ヘッド２５に発生する超音波振動付加領域４９を示す図である。吸着ヘッド２５の臨接して直交する側面である第１側面４１と第２側面４２とに、第１超音波ホーン２６と第２超音波ホーン２７とによって、超音波振動を印加すると、互いに直交する方向の振動が合成されて、図４に示すようなほぼ円形の超音波振動付加領域４９を得ることができる。

さらに、第１超音波振動子３２から発振されて第１超音波ホーン２６に伝播される超音波振動の周波数と、第２超音波振動子３３から発振されて第２超音波ホーン２７に伝播される超音波振動の周波数とを、互いに異なるように設定することによって、一層幅広い超音波振動付加領域を得ることができる。図５は、接合装置２０において第１および第２超音波振動子３２，３３から発振される超音波振動の周波数を互いに異なるように設定した場合の吸着ヘッド２５に発生する超音波振動付加領域５０を示す図である。図５に示すように、第１および第２超音波振動子３２，３３から発振されて第１および第２超音波ホーン２６，２７に伝播される超音波振動の周波数を互いに異なるように設定することによって、超音波振動付加領域５０は、前述のほぼ円形から長方形に拡大される。

図１に戻って、前記第１〜第３ブースタ２９，３０，３１を支持するホルダー４５には、加圧シリンダ５１のピストンロッド５２が装着される。加圧シリンダ５１は、ピストンロッド５２の反対側の取付面が昇降板５３に装着される。昇降板５３には、２つの貫通孔が形成され、互いに平行になるように対向して設けられる第１案内棒部材５４と、第２案内棒部材５５とが、貫通孔にそれぞれ挿通される。昇降板５３は、第１および第２案内棒部材５４，５５に対して摺動可能であり、第１および第２案内棒部材５４，５５に案内される上下方向に移動することができる。

第１および第２案内棒部材５４，５５は、昇降板５３に関してホルダー４５と反対側に配置される支持フレーム５６にそれぞれ立設される。支持フレーム５６のほぼ中央部であって、前記加圧シリンダ５１のピストンロッド５２の進退方向の延長線上には、電動機５７が装着される。電動機５７は、その出力軸５８が昇降板５３を臨むように配置される。電動機５７の出力軸５８にはおねじ部材５９の一端部が連結される。おねじ部材５９は、昇降板５３に固設されるナット６０に螺合されるとともに、その他端部が昇降板５３に回転自在に支持される。

電動機５７には、その回転動作を制御するモータ駆動部６１が接続され、さらにモータ駆動部６１が前述の主制御部３８に接続される。また加圧シリンダ５１には、加圧ユニット６２が配管系によって接続され、加圧ユニット６２には、加圧ユニット６２の加圧動作を制御する荷重制御部６３が電気的に接続され、さらに荷重制御部６３が前述の主制御部３８に接続される。

モータ駆動部６１からの動作制御信号によって電動機５７を回転駆動し、その出力軸５８に連結されるおねじ部材５９を回転させる。おねじ部材５９の回転運動が、おねじ部材５９に螺合されるナット６０およびナット６０が固設される昇降板５３の直進運動に変換され、昇降板５３が、第１および第２案内棒部材５４，５５に案内されて上下動する。昇降板５３の上下動に従って、昇降板５３に装着される加圧シリンダ５１および加圧シリンダ５１のピストンロッド５２に装着されるホルダー４５が上下動する。

前述のようにして昇降板５３を所望の位置に移動させた状態で、荷重制御部６３からの制御信号に応じて加圧ユニット６２を動作させ、加圧シリンダ５１のピストンロッド５２を進退させることによって、ホルダー４５、すなわち第１〜第３ブースタ２９，３０，３１および第１〜第３超音波ホーン２６，２７，２８を介してホルダー４５に支持される吸着ヘッド２５を、基板保持部２３に保持される回路基板２２に対して近接離反させることができるとともに、吸着ヘッド２５に吸着保持される半導体チップ２１を回路基板２２に対して押圧させることができる。

加圧シリンダ５１、加圧ユニット６２、荷重制御部６３、昇降板５３、おねじ部材５９、第１および第２案内棒部材５４，５５、支持フレーム５６、電動機５７、モータ駆動部６１は、吸着ヘッド２５を基板保持部２３に対して近接離反するように駆動させる駆動手段３４を構成する。

また主制御部３８は、たとえば中央処理装置（略称ＣＰＵ）を備えて接合装置２０全体の動作を総合的に制御する処理回路であり、モータ駆動部６１を介して電動機５７の動作を制御し、荷重制御部６３を介して加圧シリンダ５１の動作を制御し、カメラ３６および認識部３７から得られる画像情報に応じてテーブル制御部３５を介してテーブル２４の動作を制御し、また超音波発振器４６を介して超音波振動子３２，３３の超音波振動の発振動作を制御する。

以下、接合装置２０による半導体チップ２１と回路基板２２との超音波フリップチップ接合方法について説明する。

まず、吸着ヘッド２５の吸着孔４０から大気を吸引し、吸着ヘッド２５の下面に半導体チップ２１を吸着保持する。回路基板２２を、テーブル２４上に載置される基板保持部２３に、基板側のパッドが吸着ヘッド２５に保持される半導体チップ２１を臨むようにして保持させる。このとき、半導体チップ２１は回路基板２２のほぼ上方に位置し、この状態で、半導体チップ２１のパッド上に予め設けられるＡｕボールバンプは、回路基板２２を臨む。

次いで、カメラ３６を移動し、半導体チップ２１と回路基板２２との間の空間に進入させる。カメラ３６に備わる上側および下側の計測用光源を交互に切換えて点灯し、２視野光学系レンズをとおして半導体チップ２１と回路基板２２とを撮像する。

撮影した画像情報を認識部３７へ出力し、主制御部３８は、画像情報から半導体チップ２１と回路基板２２との相対的な位置ずれ量を求め、この位置ずれ量に従い、テーブル制御部３５に制御信号を出力する。テーブル制御部３５は、主制御部３８からの信号に応じ、半導体チップ２１を基準にしてテーブル２４を駆動し、回路基板２２を水平移動させて位置ずれを補正する。この位置ずれ補正によって、回路基板２２に対する半導体チップ２１の実装位置が定まると、カメラ３６を元の位置まで移動させる。

カメラ３６が元の位置に復帰すると、主制御部３８は、モータ駆動部６１に制御信号を出力し、モータ駆動部６１が電動機５７を回転させて昇降板５３を下降させる。昇降板５３が所定の位置まで下降すると、主制御部３８がモータ駆動部６１に電動機５７の回転停止指示信号を出力し、電動機５７の回転が停止される。次に、主制御部３８は、荷重制御部６３に制御信号を出力し、荷重制御部６３からの出力によって、加圧ユニット６２が動作して加圧シリンダ５１のピストンロッド５２を前進させ、吸着ヘッド２５に吸着保持される半導体チップ２１を回路基板２２に対して押圧する。このとき、半導体チップ２１を回路基板２２に対して押圧する力は、主制御部３８からの制御信号に従い、荷重制御部６３が加圧ユニット６２の出力を制御することによって調節される。半導体チップ２１を回路基板２２に対して押圧した状態で、回路基板２２が不図示の加熱手段からの伝熱により加熱される。

半導体チップ２１を回路基板２２に対して押圧し、回路基板２２が加熱された状態で、主制御部３８が超音波発振器４６に制御信号を出力し、第１および第２超音波振動子３２，３３に超音波振動を発振させる。このとき、第１超音波振動子３２が発振する超音波振動の周波数と、第２超音波振動子３３が発振する超音波振動の周波数とが、互いに異なるようにすることが好ましい。接合条件である前記押圧力、前記回路基板２２の加熱温度、ならびに第１および第２超音波振動子３２，３３が発振する超音波振動の周波数、出力および印加時間は、接合される半導体チップ２１と回路基板２２との組合せ毎に予め試験をして好適値を求め、そのデータを主制御部３８に備えられるメモリにストアしておき、接合動作時に接合装置２０の操作者が、装置に設けられる入力手段から選択入力することによって実行され得る。

第１および第２超音波振動子３２，３３からそれぞれ発振された超音波振動が、第１および第２ブースタ２９，３０ならびに第１および第２超音波ホーン２６，２７を介して吸着ヘッド２５に伝播され、吸着ヘッド２５から半導体チップ２１および半導体チップ２１に設けられるＡｕボールバンプに印加され、Ａｕボールバンプを介して半導体チップ２１のパッドと回路基板２２のパッドとが接合される。このようにして、半導体チップ２１が回路基板２２のチップ実装位置に表面実装される。

主制御部３８からの制御信号によって超音波振動の発振が停止し、半導体チップ２１と回路基板２２との接合が終了すると、半導体チップ２１を吸着保持する吸着ヘッド２５の吸着保持を解除し、その後大気の吸引を停止して吸着ヘッド２５から表面実装された半導体チップ２１と回路基板２２とを離脱させる。また主制御部３８は、荷重制御部６３へ制御信号を出力して加圧シリンダ５１のピストンロッド５２を後退させ、さらにモータ駆動部６１に制御信号を出力して電動機５７を前述とは逆方向へ回転させて昇降板５３を上昇させ、基板保持部２３に保持された表面実装された半導体チップ２１と回路基板２２とを不図示の搬送装置に移行し、一連の方法による接合が終了する。

前述の接合方法における接合メカニズムを説明すると以下の通りである。ボールバンプが、回路基板２２の電極パッドに接合した初期段階では、バンプと電極パッドとが単に接触しているに過ぎないので、両者間の摩擦抵抗は吸着ヘッド２５による保持力よりも小さい。したがって、半導体チップ２１は吸着ヘッド２５の振動に伴って振動する。吸着ヘッド２５を介した押圧と超音波振動の印加とにより、ボールバンプと電極パッドとが互いに擦過され、両者の表面の酸化膜や汚染膜等が排斥される。その結果、ボールバンプおよび電極パッドの表面には、新生面が創出され、その新生面同士が凝着接合をする。このような工程を経て、特定の方向に偏った変形をすることのない、電極ピッチの微細化に対応可能な超音波フリップチップ接合を実現することができる。

図６は本発明の実施の第２の形態である接合装置に備わる吸着ヘッド２５まわりの構成を簡略化して示す平面図であり、図７は図６に示す超音波ホーンと吸着ヘッド２５との接続部を拡大して示す斜視図である。本実施の形態の接合装置は、吸着ヘッド２５まわりを除いて実施の第１形態の接合装置２０と同一に構成されるので、特徴的な吸着ヘッド２５まわりのみ図示し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。

実施の第２形態の接合装置の吸着ヘッド２５まわりには、４つの超音波ホーンが設けられることを特徴とする。ホルダー７１が、第１〜第３支持片７１ａ，７１ｂ，７１ｃに加えて第４支持片７１ｄを有するように構成され、第４支持片７１ｄに第４ブースタ７２の装着支持部４４で支持される。第４超音波ホーン７３の長手方向両端部が、第４ブースタ７２と吸着ヘッド２５の残る側面である第４側面７４とに、それぞれ接続される。

前述の実施の第１形態の接合装置２０では、吸着ヘッド２５を介して第１超音波ホーン２６と第３超音波ホーン２８とが対向するように設けられ、第２超音波ホーン２７と対向する位置には何も設けられていない。それに対して本実施の第２形態では、吸着ヘッド２５を介して第２超音波ホーン２７に対向する位置にも第４超音波ホーン７３が設けられることを特徴とする。このような構成においても、前述の実施の第１形態の接合装置２０と同様の効果を奏することができる。

図８は、本発明の実施の第３の形態である接合装置に備わる吸着ヘッド２５まわりの構成を簡略化して示す平面図である。本実施の形態の接合装置は、吸着ヘッド２５まわりを除いて実施の第１形態の接合装置２０と同一に構成されるので、特徴的な吸着ヘッド２５まわりのみ図示し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。

実施の第３形態の接合装置の吸着ヘッド２５まわりには、２つの超音波ホーンが設けられることを特徴とする。ホルダー７５が、第１および第２支持片７５ａ，７５ｂの２つからなり、前述の実施の第１形態と同様、第１支持片７５ａに、第１ブースタ２９と第１超音波ホーン２６とが支持され、第２支持片７５ｂに、第２ブースタ３０と第２超音波ホーン２７とが支持される。第１超音波ホーン２６が吸着ヘッド２５の第１側面４１に接続され、第２超音波ホーン２７が吸着ヘッド２５の第２側面４２に接続される。吸着ヘッド２５を介して第１および第２超音波ホーン２６，２７に対向する位置には、いずれも超音波ホーンが設けられない。すなわち、第１および第２超音波ホーン２６，２７が、いずれも片持ち構造になるように設けられる。このような構成においても、前述の実施の第１形態の接合装置２０と同様の効果を奏することができる。

実施の第１〜第３形態では、いずれも吸着ヘッド２５の直交して臨接する第１および第２側面４１，４２に超音波振動を印加するけれども、１つの超音波ホーンによって吸着ヘッドの１側面に超音波振動を印加し、該超音波ホーンの薄肉部の厚さ方向にもうひとつの超音波ホーンによって超音波振動を印加する構成も、本発明に開示する技術思想に含まれる。また一方向に超音波振動を発振している超音波振動子の側面に、該方向に対して交差する方向に、他の超音波ホーンによって超音波振動を印加する構成も、本発明に開示する技術思想に含まれる。

（実施例）
以下本発明の実施例について説明する。前述の接合装置２０を準備し、半導体チップと回路基板とを、超音波フリップチップ接合した。

半導体チップは、その外形寸法が、１０ｍｍ角で、厚みが０．５ｍｍである。半導体チップの回路基板と接合するべき表面には、アルミニウムをスパッタリングし、寸法が９０μｍで、厚みが１μｍの電極を複数形成した。電極には、直径６０μｍ、高さ３０μｍのＡｕボールバンプを、予めそれぞれ形成した。

この半導体チップを実装する回路基板は、その外形寸法が、２０ｍｍ角で、厚みが０．５ｍｍのガラスエポキシ基板上に、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕの電極を形成したものを用いた。なお電極表面には、無電解めっき法で０．５μｍ厚のＡｕめっきを施した。

半導体チップを接合装置２０の吸着ヘッド２５で吸着保持し、テーブル２４上の回路基板との位置ずれを補正した後、駆動手段３４によって、回路基板に対して半導体チップを押圧した。押圧する力が１０Ｎに達し、また加熱手段によって回路基板を加熱して回路基板の温度が１５０℃に達したとき、以下の表１に示す条件で半導体チップおよびＡｕボールバンプに超音波振動を印加し、Ａｕボールバンプを介して半導体チップと回路基板とを接合した。

接合終了後、駆動手段３４を動作させて、押圧を解放し、また吸着ヘッド２５による吸着保持を解除して実装された半導体装置を取出した。取出した半導体装置を、シェアテスタ（商品名；レスカ株式会社製）によって試験し、せん断強度を求めるとともに、バンプ径を測定した。

なお、比較例として、超音波振動を一方向のみから印加する以外は、前述の実施例と同様にして半導体チップと回路基板とを超音波フリップチップ接合し、接合後の半導体装置について、せん断強度とバンプ径とを求めた。

実施例の半導体装置のせん断強度は、１バンプあたり０．７Ｎであり、充分な電気的接続信頼性の得られる強度であった。また、バンプは、略円形を保ちながら変形しており、その圧着径が８０μｍであり、９０μｍ角サイズの電極ピッチ微細化に充分対応可能な大きさと形状であった。

一方比較例では、充分なせん断強度を得ることができなかった。そこで、前述の比較例の接合条件のうち、超音波振動の発振出力条件のみを変化させて、さらに超音波フリップチップ接合を行い、接合した半導体装置のせん断強度を求めた。その結果、実施例と同等の０．７Ｎ／１バンプのせん断強度を得るためには、超音波振動発振出力を、６Ｗにも高めなければならなかった。さらに、発振出力が６Ｗでは、バンプが楕円形に変形し、その直径が１００μｍに達していたので、９０μｍ角サイズの電極ピッチ微細化への適用は困難であった。

以上に述べたように、本実施の形態では、バンプは、ボールバンプであるけれども、これに限定されることなく、めっきバンプであってもよい。また回路基板は、ガラスエポキシ基板であるけれども、これに限定されることなく、セラミック基板等の無機基板や他の有機基板であるアラミド基板や液晶ポリマー基板などであってもよい。

本発明の実施の一形態である超音波フリップチップ接合装置２０の構成を簡略化して示す系統図である。 図１に示す超音波フリップチップ接合装置２０に備わる吸着ヘッド２５まわりの構成を簡略化して示す平面図である。 図２に示す超音波ホーンと吸着ヘッド２５との接続部を拡大して示す斜視図である。 接合装置２０において吸着ヘッド２５に発生する超音波振動付加領域４９を示す図である。 接合装置２０において第１および第２超音波振動子３２，３３から発振される超音波振動の周波数を互いに異なるように設定した場合の吸着ヘッド２５に発生する超音波振動付加領域５０を示す図である。 本発明の実施の第２の形態である接合装置に備わる吸着ヘッド２５まわりの構成を簡略化して示す平面図である。 図６に示す超音波ホーンと吸着ヘッド２５との接続部を拡大して示す斜視図である。 本発明の実施の第３の形態である接合装置に備わる吸着ヘッド２５まわりの構成を簡略化して示す平面図である。 従来の超音波フリップチップ接合装置１の構成を簡略化して示す系統図である。 従来の超音波フリップチップ接合装置１によるバンプ８の形状を示す模式図である。

符号の説明

２０ 超音波フリップチップ接合装置
２１ 半導体チップ
２２ 回路基板
２３ 基板保持部
２４ テーブル
２５ 吸着ヘッド
２６，２７，２８，７３ 超音波ホーン
２９，３０，３１，７２ ブースタ
３２，３３ 超音波振動子
３４ 駆動手段
３５ テーブル制御部
３６ カメラ
３７ 認識部
３８ 主制御部
４５，７１，７５ ホルダー
４６ 超音波発振器
５１ 加圧シリンダ
５３ 昇降板
５４，５５ 案内棒部材
５６ 支持フレーム
５７ 電動機
５９ おねじ部材
６０ ナット
６１ モータ駆動部
６２ 加圧ユニット
６３ 荷重制御部

Claims (4)

1. 超音波振動を印加して、半導体チップと回路基板とをバンプを介して接合する超音波フリップチップ接合装置において、
   回路基板を保持する基板保持部と、
   基板保持部が載置され、少なくとも１軸以上の方向に移動可能なテーブルと、
   半導体チップを吸着保持する吸着ヘッドと、
   吸着ヘッドに接するように設けられる複数の超音波ホーンと、
   複数の超音波ホーンのうち少なくとも２個以上にそれぞれ装着され、超音波振動を発振する超音波振動子と、
   吸着ヘッドを基板保持部に対して近接離反するように駆動させる駆動手段とを含むことを特徴とする超音波フリップチップ接合装置。
2. 少なくとも２個以上の超音波ホーンに装着される超音波振動子は、
   互いに異なる周波数の超音波振動を発振することができるように構成されることを特徴とする請求項１記載の超音波フリップチップ接合装置。
3. 半導体チップと回路基板とをバンプを介して接合するに際し、超音波振動を印加するステップを含む超音波フリップチップ接合方法において、
   半導体チップおよびバンプに対して、互いに異なる２以上の方向から超音波振動を印加することを特徴とする超音波フリップチップ接合方法。
4. 前記互いに異なる２以上の方向から印加する超音波振動の周波数が、
   それぞれ異なることを特徴とする請求項３記載の超音波フリップチップ接合方法。

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