JP2005093839A - 電子回路装置の製造方法および電子回路装置 - Google Patents

電子回路装置の製造方法および電子回路装置 Download PDF

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Abstract

【課題】バンプの形成精度を高めてチップ電極中心と接続バンプ中心との位置ずれを低減するとともに、認識バンプを画像認識する際のコントラストが得やすい電子回路装置の製造方法および電子回路装置を提供する。
【解決手段】一方主面上に電極11を有する回路素子10と、一方主面上に設けられた接続バンプ用電極2と認識バンプ用電極3とを有する基板1とを準備し、接続バンプ用電極2と認識バンプ用電極3とにそれぞれワイヤーボンディング法を用いて接続バンプ12と認識バンプ13とを形成する。光学的手段30を用いて撮影した認識バンプ13の画像に基づき、認識バンプ13の位置を検出し、その位置に基づき、回路素子10を接続バンプ12を介して基板1上に接合する。認識バンプ13の上部は凸形状であるため、電極3とのコントラストが得やすく、認識バンプ13の位置を正確に検出できる。
【選択図】 図7

Description

本発明はワイヤーボンディング法を用いて形成したバンプを介して基板上に回路素子を接合する電子回路装置の製造方法および電子回路装置に関するものである。
近年、携帯電話やパソコンなどの高性能化、小型化、低背化のため、バンプを用いたフリップチップ実装方法の採用が増えている。バンプは基板側またはチップ(回路素子)側のいずれかに設けられる。
チップを基板にバンプを介して搭載する場合、基板の配線パターンの一部を認識パターンとして登録し、認識パターンと実装中心位置との相対的な座標を登録して、チップの搭載位置を決定している。チップを基板に搭載する際、良好な導通を得るためには、チップの電極中心と接続バンプの中心とを合わせることが望ましい。
しかし、基板にセラミック焼成基板や樹脂基板を用いた場合、配線形成精度が±30μm程度であるため、配線パターンを基準にチップの搭載位置を決めた場合には、チップ電極と接続バンプとの間に位置ずれが生じる。
特許文献1では、基板の電極上にワイヤーボンディング法によって接続バンプを形成し、この接続バンプを介してチップを搭載するとともに、基板のチップ搭載位置の外側であって、チップの対角位置の2箇所に認識マークを形成し、この認識マークによって基板とチップとの位置関係を認識してチップを搭載した半導体装置が提案されている。
しかし、上記認識マークは、例えばインクを基板に塗布することで形成される。つまり、認識マークと接続バンプとが全く異なる工程で形成される。ワイヤーボンディング法による接続バンプの形成は、常に基板電極の一定位置に行われる訳ではなく、多少のずれが発生する。そのため、認識マークと接続バンプとの相対位置が一定せず、認識マークを基準にしてチップを搭載しても、チップ電極中心と接続バンプ中心との位置ずれを低減できない。
特許文献2には、基板の電極上にめっき法により認識バンプと接続バンプとを同時に形成し、認識バンプを認識パターンとして登録し、チップ搭載位置を決定するものが提案されている。この場合には、バンプ形成精度が±5μm程度と配線精度よりも高精度であるため、チップ電極中心と接続バンプ中心との位置ずれを低減できるという利点がある。
認識バンプを画像認識する場合、光源から基板に照射された光の反射光をカメラによって撮像し、反射光の強度の二値化あるいは多値化することで認識対象のコントラストを得るようになっている。ここで、基板に照射される光はカメラと同軸の落射光あるいはリング照明による落射光である。
めっきバンプは、上面がほぼ平坦な形状を有する。めっきバンプを認識バンプとして用いた場合、その上面からの反射光は認識バンプ用電極からの反射光と同等の強度を持つ。そのため、カメラで撮像した反射光を二値化あるいは多値化しても、認識バンプと認識バンプ用電極との間のコントラストが得られず、認識バンプの位置を精度よく検出できない問題があった。
特開平9−181098号公報 特開2002−9347号公報
そこで、本発明の目的は、バンプの形成精度を高めてチップ電極中心と接続バンプ中心との位置ずれを低減するとともに、認識バンプを画像認識する際のコントラストが得やすい電子回路装置の製造方法および電子回路装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、請求項1に係る発明は、一方主面上に電極を有する回路素子と、一方主面上に設けられた接続バンプ用電極と認識バンプ用電極とを有する基板とを準備する工程と、上記接続バンプ用電極と上記認識バンプ用電極とにそれぞれワイヤーボンディング法を用いて接続バンプと認識バンプとを連続的に形成する工程と、光学的手段を用いて撮影した上記認識バンプの画像に基づき、上記認識バンプの位置を検出する工程と、上記認識バンプの位置に基づき、上記回路素子を上記接続バンプを介して上記基板上に接合する工程と、を有することを特徴とする電子回路装置の製造方法を提供する。
本発明の特徴の1つは、ワイヤーボンディング法によって接続バンプと認識バンプとを形成し、認識バンプを回路素子の搭載位置を決めるための認識パターンに利用している点である。接続バンプと認識バンプとは連続的に形成される。連続的とは、一度の基板パターン認識によって接続バンプと認識バンプとを形成することをいう。接続バンプと認識バンプの形成の順番は、交互に形成してもよいし、一方のバンプ(例えば認識バンプ)をすべて形成した後で他方のバンプ(例えば接続バンプ)を形成してもよい。このようにバンプを連続的に形成するため、バンプ形成精度は±10μm程度になり、基板にセラミック焼成基板や樹脂基板を用いた場合の配線形成精度(±30μm)に比べて高くなり、チップ電極中心と接続バンプ中心との位置ずれを低減できる。
本発明の特徴の他の1つは、位置認識に用いる認識バンプの形状が、めっきバンプとは異なり、上面が平坦ではないという点である。図1の(a)に示すようなめっきバンプの場合には、バンプも電極も金属であり、かつ上面が平坦であるため、たとえ構成する材料を変えたとしても、金属光沢による同じような強度の反射光を光学的手段に返す。そのためコントラストが弱い。一方、ワイヤバンプは、周知のように、金属ワイヤ(例えば金ワイヤ)の先端にスパークを発生させてイニシャルボールを形成し、このボールを電極に接合した後、ワイヤを引きちぎることによりバンプを形成するものである。そのため、図1の(b)に示すように認識バンプの上部は凸形状となり、光学的手段からの落射光によるバンプ上部からの反射光は乱反射する。したがって、認識バンプから光学的手段への反射光は認識バンプ用電極からの反射光よりも弱くなり、両者のコントラストが強く、光学的手段で撮像した反射光を二値化あるいは多値化処理することで、認識バンプの位置を正確に認識できる。つまり、回路素子を基板に対して精度よく正確に搭載することができる。
請求項2のように、認識バンプ用電極は、光学的手段を用いて認識バンプを撮影する際、認識パターンとして登録される範囲内に認識バンプ用電極の端部が含まれない十分な幅寸法を有するのがよい。
撮像した認識バンプの認識パターンの登録範囲内に認識バンプ用電極の端部が含まれないので、認識バンプの端部(縁部)を認識バンプ用電極の端部と誤認識される危険性を低減できるからである。
なお、接続バンプ用電極は接続バンプとほぼ同等の幅に形成すればよい。接続バンプを撮像した際、接続バンプ用電極の端部も同時に撮像されるので、接続バンプを認識バンプと誤認する危険性がない。また、接続バンプ用電極を狭ピッチ間隔で形成できるので、回路素子および基板を小型化できる。
請求項3のように、認識バンプ用電極とその登録パターンとはほぼ相似形であり、接続バンプ用電極におけるバンプ中心から最も近い電極エッジ部までの距離をL1 、接続バンプの径をd1 、認識バンプ用電極におけるバンプ中心から最も近い電極エッジ部までの距離をL2 、認識バンプの径をd2 、登録パターンにおける認識バンプのコントラストの径をd0 、登録パターンの幅を2L0 、バンプ形成精度を±δ、撮像時の光学的手段の倍率をαとすると、
α(L1 −d1 /2−δ)<L0 −d0 /2<α(L2 −d2 /2−δ)
とするのがよい。
図2の(a)は認識バンプ用電極E2および認識バンプB2を示し、(b)は接続バンプ用電極E1および接続バンプB1を示し、(c)は登録された認識パターンを示す。
図2に示すように、バンプ中心から最も近い電極エッジ部までの距離をL1 ,L2 とする。認識パターンにおいて、バンプのコントラストB0は登録エリアE0の中心に設定する。バンプ形成ずれをδとすると、バンプ外径から電極エッジ部端部までの最短距離は、
1 =L1 −d1 /2−δ
2 =L2 −d2 /2−δ
なお、D1 は接続バンプB1における最短距離、D2 は認識バンプB2における最短距離である。
認識パターンにおいて、バンプコントラストB0の外径から登録エリアE0端部までの最短距離は、
0 =L0 −d0 /2
認識パターン撮像時のカメラ倍率をαとすると、以下の関係式が成り立つようにするのがよい。
αD1 <D0 <αD2
以上のようにバンプ、電極幅および認識パターンの大きさを設定すれば、認識パターンには電極端部が含まれず、バンプ位置ずれによる一致率の低下を防止できる。
請求項4のように、認識バンプの直径を接続バンプの直径より大きくしてもよい。
回路素子および基板の小型化のため、認識バンプと接続バンプとが近い位置に形成されることがあるが、認識バンプを接続バンプより大きくすることで、接続バンプを認識バンプと誤認識する危険性をさらに低減できる。
なお、好ましくは認識バンプの大きさを接続バンプの1.5倍以上とするのがよい。
請求項5のように、認識バンプは、回路素子の搭載部分の外側であって、かつ回路素子の対角線上に少なくとも2箇所に設けられているのがよい。
接続バンプは回路素子の外周に沿った位置に形成されるが、認識バンプは接続バンプの外側に形成されるので、回路素子を基板に搭載した時、回路素子と認識バンプとの干渉を防止でき、回路素子の接合性に影響を与えない。また、回路素子の対角線上に設けることで、角度補正、とりわけ小型回路素子における角度補正の精度が向上する。
請求項6のように、接続バンプおよび認識バンプを形成する工程と、回路素子を接続バンプを介して基板上に接合する工程は、それぞれ基板が略同じ温度で実施するのがよい。
バンプ形成時の基板の熱膨張がチップ搭載時に再現され、接続バンプとチップ電極との位置ずれを低減することができる。
請求項7のように、請求項1ないし6のいずれかに記載の製造方法を用いて電子回路装置を製造すれば、接続バンプとチップ電極との位置ずれが少なく、基板と回路素子との間の導通不良がなく、信頼性の高い電子回路装置を製造することができる。
本発明によれば、ワイヤーボンディング法によって接続バンプと認識バンプとを連続的に形成し、認識バンプを回路素子の搭載位置を決めるための認識パターンに利用したので、バンプ形成精度が高くなり、チップ電極中心と接続バンプ中心との位置ずれを低減できる。また、位置認識に用いる認識バンプがワイヤーボンディング法により形成されるので、画像認識の際に認識バンプと認識バンプ用電極とのコントラストが得やすく、認識バンプの位置を正確に認識できる。そのため、回路素子を基板に対して精度よく正確に搭載することができる。
以下に、本発明の実施の形態を、実施例を参照して説明する。
図3,図4は本発明にかかる製造方法により製造した電子回路装置の第1実施例を示す。
この電子回路装置は、一方主面(上側主面)上に設けられた接続バンプ用電極2と認識バンプ用電極3とを有する基板1と、一方主面(下側主面)上にチップ電極11を有するチップ(回路素子)10とを備え、チップ10の電極11と接続バンプ用電極2とが接続バンプ12を介して接続されている。また、認識バンプ用電極3上には、認識バンプ13が固定されている。
基板1は、ガラスエポキシ基板などの樹脂基板、あるいはアルミナなどの焼成基板で構成されている。基板1の上面には、チップ搭載位置4の外周にほぼ沿った位置に複数の接続バンプ用電極2が形成され、チップ搭載位置の外側であってその対角位置の2箇所に認識バンプ用電極3が形成されている。これら電極2,3は、例えばAu/Ni/Cuの多層構造としてもよいし、単層構造としてもよい。材質も問わない。接続バンプ用電極2の配線幅は80〜120μm程度に形成され、配線厚みは15〜50μm程度に形成されている。幅方向の配線形成精度は±30μm程度である。認識バンプ用電極3の配線幅は、認識バンプ13の径の2〜10倍程度としてある。実装エリアの小型化などの要求が高くない場合には、10倍以上の幅に設定してもよい。ここでは、認識バンプ用電極3を円形としたが、四角形としてもよい。認識バンプ用電極3の配線厚さは接続バンプ用電極2と同程度である。生産性を向上させるため、基板1上には接続バンプ用電極2と認識バンプ用電極3の同一パターンが複数個形成され、チップ実装後、分割される。なお、図示していないが、基板1上に表面実装部品などを搭載するための別の電極を設ける場合もある。
チップ10は、例えばSi,GaAs等よりなる半導体素子を用いてもよいし、LiTaO3 ,LiNbO3 ,水晶等よりなる表面弾性波素子を用いてもよい。チップサイズは一辺が1〜3mm程度である。チップ電極11は、Al,Auなどよりなり、電極厚みは1〜2μm程度である。チップ10は予め個片に分割されている。
次に、上記構成よりなる電子回路装置の製造方法について、図5〜図7にしたがって説明する。
図5に示すように、基板1上の電極2,3上に接続バンプ12および認識バンプ13を形成するワイヤーボンディング法は、次のように実施される。バンプ材質はAu,Al,Cuなどが使われる。
キャピラリ(ワイヤーボンディングツール)20の先端からワイヤ21を導出し、ワイヤ21の先端を電気トーチ(図示せず)によって溶融し、ボール22を形成する。ボール径は狙いのバンプ径によって異なるが、通常ワイヤ径(φ20〜30μm程度)の2〜3倍程度とするのがよい。ボール径を変更するには、主にスパーク条件で変更できる。スパーク条件(放電エネルギー等)を強くすると、Auワイヤ21先端の溶融する部分が長くなり、ボール径が大きくなる。この他に、キャピラリ20から導出するワイヤ21の長さを変えることで、ボール径を変更することもできる。
まず、基板1のパターン認識を行い、バンプ12,13を形成すべき位置を決定する。
次に、最初に認識バンプ13を形成する場合には、図5の(a)のように大径なボール22を形成し、パターン認識で得られた認識バンプ用電極3上にキャピラリ20を移動させ、ボール22を押し付けるとともに、超音波を印加することで電極3上に接合する(図5の(b)参照)。この時の基板温度は25〜200℃程度、押圧荷重は400〜1200mN程度、超音波出力は50〜300mW程度、超音波印加時間は10〜50ms程度がよい。電極3に接合した後、キャピラリ20を引き上げる途中で、ワイヤ21が引きちぎられ、バンプ13が形成される。特に、ボール22が大径であるため、大径の認識バンプ13を形成できる。
次に、図5の(c)のように所定距離だけキャピラリ20または基板1を水平方向に移動させ、ワイヤ21の先端に小径のボール22を形成し、これを接続バンプ用電極2上に接合することで、小径の接続バンプ12を形成する(図5の(d)および(e)参照)。バンプの形成精度は±10μm程度である。
後述する画像認識時の誤認識を防止するため、認識バンプ13のバンプ径は接続バンプ12のバンプ径の1.5倍以上とするのがよい。ここでは、接続バンプ12のバンプ径を60〜120μm、認識バンプ13のバンプ径を90〜180μmとした。接続バンプ数は1個のチップ当たり6〜100個程度である。
次に、基板1へのチップ搭載位置を決定するために、事前に認識パターンおよび認識パターンと実装中心位置との関係を登録する。
まず、登録するエリアを決定する。登録エリアは認識バンプ13のバンプ径の1〜3倍程度に設定する。
次に、既に形成されている認識バンプ13を用いて、図6に示すような認識パターンを登録する。認識パターンは二値化もしくは多値化画像として登録され、認識バンプ13と認識バンプ用電極3とが異なるコントラストにて登録される。このとき、登録された認識パターンには、認識バンプ用電極3の端部は含まれていない。
通常、認識パターンは2箇所以上登録する。角度補正精度を向上させるために、チップ10に対して略対角に位置する2つの認識バンプ13を登録することが望ましい。但し、角度補正の必要がない場合には、認識パターンを1箇所のみとしてもよい。
次に、認識バンプ13と実装中心位置との相対的な位置関係を登録する。
チップ10についても同様に、事前に認識パターンおよび認識パターンと実装中心位置の関係を登録する必要がある。チップ10の場合、認識パターンには電極などの特徴的な箇所を用いればよい。
次に、認識および実装方法について、図7に従って説明する。
基板1は搬送手段によって実装用ステージ32上に搬送され、吸着あるいは機械的に固定される。
実装用ステージ32の上部には、基板観察用のカメラ30が設けられ、このカメラ30によって実装位置が撮像される(図7の(a)参照)。撮像された領域において、事前に登録された認識パターンと類似する位置を検出する。
認識バンプ13はワイヤーボンディング法によって形成されているので、バンプ13の上部は凸形状を持つが、認識バンプ用電極3の上面は平坦であるため、撮像カメラ30の撮像画像には認識バンプ13と認識バンプ用電極3との明瞭なコントラストが得られる。そのため、認識バンプ13の位置を正確に検出できる。
認識パターンにおいて、認識バンプ用電極3の端部を含まないように、認識バンプ用電極3は接続バンプ用電極2よりも大きくしてある。ここで、バンプと電極と認識パターンの大きさは、図2に従って説明した計算式に基づいて決定される。このように認識パターンには電極端部が含まれていないため、バンプ位置ずれによる一致率の低下はない。表1は認識バンプの位置ずれと一致率との関係を示したものである。なお、接続バンプおよび認識バンプの径を共に100μmとした。
Figure 2005093839
表1から明らかなように、接続バンプ用電極2の配線幅および認識バンプ用電極3の配線幅を共に100μmとした場合、認識バンプ13の形成位置が20μmずれた時の一致率は50%まで低下する。一方、接続バンプ用電極2の配線幅を100μm、認識バンプ用電極3の配線幅を500μmとした場合、認識バンプ13の形成位置が80μmずれたとしても、一致率は89%までしか低下しない。したがって、誤認識を防止できる。
検出された認識バンプ13の位置と、事前に登録した認識パターンと実装中心との位置関係から、基板1における実装中心Oを決定する。
チップ10に関しても同様の手法によりチップ中心を決定する。
認識バンプ12に基づいて決定した実装中心Oと、チップ中心とが一致するように位置補正を行うことで、各接続バンプ12の中心と各チップ電極11の中心とが一致する。
位置補正後、図7の(b)のようにフリップチップボンダ31を用いてチップ10を基板1に搭載する。搭載精度は±15μm程度である。この時、基板1を常温〜200℃程度に加熱し、チップ10を常温〜300℃に加熱して、0.5〜2N/バンプ程度で加圧する。接合時に、チップ10に超音波を印加してもよい。
特に、バンプ12,13の形成時における基板温度とチップ10の搭載時における基板温度とをほぼ同じ温度とするのがよい。その場合には、バンプ形成時の基板1の熱膨張がチップ搭載時に再現され、基板1の接続バンプ12とチップ10の電極11との位置ずれを最小限とすることが可能になる。
以上のような工程でチップ10を基板1に搭載すると、ワイヤーボンディング法によって形成した認識バンプ13をチップ10の搭載位置を決めるための認識パターンに利用しているため、チップ電極11の中心と接続バンプ2の中心とを正確に一致させることができ、基板の配線パターンを認識パターンとして利用した場合に比べて位置ずれを低減できる。
上記実施例では、認識バンプの大きさを接続バンプより大きくしたが、接続バンプを誤認する危険性が少ない場合には、接続バンプと同等の大きさとしてもよい。また、認識バンプを接続バンプより小さくすることで、誤認の危険性を低減させてもよい。
本実施例では、認識バンプを接続バンプの外側でかつ回路素子の対角位置に形成したが、対角位置に限るものではない。認識バンプを接続バンプの外側に形成することで、角度補正の精度が向上しかつチップ実装時に認識バンプがチップと干渉するのを防止できる。
なお、認識バンプを接続バンプの内側、つまりチップ搭載部の範囲内に形成することもできる。この場合には、バンプ形成に要するエリアを小さくできるため、実装領域の小型化に寄与する。但し、チップ実装時に認識バンプがチップと干渉しないように、認識バンプの高さを接続バンプより低くするのがよい。
認識バンプ用電極の形状は、実施例のような円形のほか、四角形、長方形など如何なる形状であってもよい。また、認識バンプ用電極は島状電極に限らず、いずれかの接続バンプ用電極や別の電極とパターン接続されたものでもよい。
めっきバンプとワイヤバンプの画像認識の違いを示す図である。 バンプ、電極および認識パターンの大きさの設定方法を示す図である。 本発明にかかる製造方法により製造した電子回路装置の第1実施例の断面図である。 図3に示す電子回路装置の基板の平面図である。 ワイヤーボンディング法を用いたバンプ形成方法を示す図である。 認識バンプの認識パターン図である。 位置認識工程および実装工程を示す図である。
符号の説明
1 基板
2 接続バンプ用電極
3 認識バンプ用電極
10 回路素子(チップ)
11 チップ電極
12 接続バンプ
13 認識バンプ
20 キャピラリ(ワイヤーボンディングツール)
21 ワイヤ
22 ボール
30 カメラ(光学的手段)
31 フリップチップボンダ

Claims (7)

  1. 一方主面上に電極を有する回路素子と、一方主面上に設けられた接続バンプ用電極と認識バンプ用電極とを有する基板とを準備する工程と、
    上記接続バンプ用電極と上記認識バンプ用電極とにそれぞれワイヤーボンディング法を用いて接続バンプと認識バンプとを連続的に形成する工程と、
    光学的手段を用いて撮影した上記認識バンプの画像に基づき、上記認識バンプの位置を検出する工程と、
    上記認識バンプの位置に基づき、上記回路素子を上記接続バンプを介して上記基板上に接合する工程と、を有することを特徴とする電子回路装置の製造方法。
  2. 上記認識バンプ用電極は、上記光学的手段を用いて上記認識バンプを撮影する際、認識パターンとして登録される範囲内に上記認識バンプ用電極の端部が含まれない十分な幅寸法を有することを特徴とする請求項1に記載の電子回路装置の製造方法。
  3. 上記認識バンプ用電極とその登録パターンとはほぼ相似形であり、接続バンプ用電極におけるバンプ中心から最も近い電極エッジ部までの距離をL1 、接続バンプの径をd1 、認識バンプ用電極におけるバンプ中心から最も近い電極エッジ部までの距離をL2 、認識バンプの径をd2 、登録パターンにおける認識バンプのコントラストの径をd0 、登録パターンの幅を2L0 、バンプ形成精度を±δ、撮像時の光学的手段の倍率をαとすると、
    α(L1 −d1 /2−δ)<L0 −d0 /2<α(L2 −d2 /2−δ)
    としたことを特徴とする請求項1または2に記載の電子回路装置の製造方法。
  4. 上記認識バンプの直径を、上記接続バンプの直径より大きくしたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の電子回路装置の製造方法。
  5. 上記認識バンプは、上記回路素子の搭載部分の外側であって、かつ回路素子の対角線上に少なくとも2箇所に設けられていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の電子回路装置の製造方法。
  6. 上記接続バンプおよび上記認識バンプを形成する工程と、上記回路素子を上記接続バンプを介して上記基板上に接合する工程は、それぞれ上記基板が略同じ温度で実施されることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の電子回路装置の製造方法。
  7. 請求項1ないし6のいずれかに記載の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする電子回路装置。
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