JP2006165445A

JP2006165445A - 接合ヘッドおよびフリップチップ実装装置

Info

Publication number: JP2006165445A
Application number: JP2004358054A
Authority: JP
Inventors: Koichi Nagao; 浩一長尾
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】高歩留まりで高信頼性の接続に対応した超音波接合用のフリップチップ実装装置（ＦＣＢ装置）を実現する。
【解決手段】絶縁性樹脂（ＮＣＰ：Non Conductive Paste）を用いた超音波接合用のＦＣＢ装置において、光ファイバー１７を用いて接合ヘッド６の上面に光照射して加熱することにより、照射光１８が漏れて半導体素子１の搭載前の樹脂５に当たり硬化してしまうことがないため、電極間への樹脂残りによる電気的な接続不良の発生を防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を回路基板に超音波接合する接合ヘッドおよびフリップチップ実装装置に関するものであり、特に半導体素子の加熱に関するものである。

電子機器の小型化や高性能化のために、回路基板への半導体素子の実装には高密度（狭ピッチ）化、多ピン化が要求されている。そこで、高密度、多ピンに適したフリップチップ実装が多く用いられるようになってきた。フリップチップ実装は、半導体素子の電極または回路基板の電極にバンプを形成し、熱圧着による接合、超音波接合、樹脂接着による圧接などの方法がある。

従来の超音波接合用フリップチップ実装装置（以下、ＦＣＢ装置）について説明する。

このＦＣＢ装置は、フラットパネルディスプレイの駆動用ドライバーの実装用として主に使用されるものである。

図４は超音波接合用のＦＣＢ装置の一部を示す断面図である。テープ状の柔軟な絶縁性フィルムに回路パターンが繰り返し形成された回路基板３が、ステージ１９上を右から左へと順送りされていく中で、次々と半導体素子１が実装されていく。まず、回路基板３上の半導体素子搭載領域に樹脂５が塗布される。このとき樹脂５は絶縁性樹脂（ＮＣＰ：Non Conductive Paste）で、後に樹脂５を硬化することにより半導体素子１と回路基板３の接合を補強する役割を果たす。樹脂５の塗布時間短縮のため、半導体素子１の搭載前にあらかじめ塗布治具２０を用いて回路基板３上に樹脂５を塗布している。次に、接合ヘッド６に半導体素子１を真空吸着し、半導体素子１の電極４と回路基板３の電極を位置合わせして加圧治具９によって加圧する。このとき、回路基板３上に塗布されている樹脂５は、加圧により半導体素子１の外側へ押し出され、半導体素子１の電極４と回路基板３の電極が直接接触するようになる。一般的には半導体素子１または回路基板３のどちらかにバンプを形成されている。バンプや電極材料は、金、錫、はんだ等が使われることが多い。一方、接合ヘッド６は光源１１からの照射光１２によりあらかじめ加熱されており、一定温度に保持されている。ランプ１０は赤外線を含む可視光を発生し、集光して接合ヘッド６の側面に照射される。次に、超音波振動子７により超音波振動を発生させ、超音波ホーン８および接合ヘッド６を介して半導体素子１の電極に印加する。これにより、半導体素子１の電極と回路基板３の電極４が接合され、電気的接続がなされる。同時に、接合ヘッド６の熱により、樹脂５が一部または完全硬化され、半導体素子１は回路基板３上に機械的にも固定される。次に、超音波印加と加圧を解除してフリップチップ接合が完了する。なお、樹脂５の硬化が不完全な場合には、テープ状の回路基板３を巻き取って、一括して加熱処理することで完全硬化させる。

図５は図４と同様の超音波接合用のＦＣＢ装置の一部を示す断面図である。図４と異なる点は、図４の光源１１の代わりに、光ファイバー１４を用いて接合ヘッド６の側面に赤外線を含む可視光を照射される点である（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２５８０３７号公報

上述した図４に示す超音波接合用のＦＣＢ装置は、光源１１から照射された照射光１２が接合ヘッド６の側面に反射して、反射光１３となり半導体素子１を搭載する前の樹脂５に当たり、樹脂５が硬化してしまうという問題が起こる。樹脂５が硬化してしまうと、位置合わせをした半導体素子１を加圧しても、半導体素子１の電極と回路基板３の電極の間の樹脂５を押し出すことができなくなり、電気的な接続不良が発生する。

また図５に示す超音波接合用のＦＣＢ装置では、光ファイバー１４に集光された照射光１５を接合ヘッド６の側面に照射するため、反射光１６は図４に示す装置より改善される（特許文献１参照）。しかしながら、光ファイバー１４は接合ヘッド６に接触させていないので、反射光１６をゼロにすることができず、電気的な接続不良をなくすることができない。さらに、初期的には電気的接続がとれていても、電極間にわずかに樹脂５が残り、接続の信頼性が低下する場合が発生する。

本発明は前記問題を解決するもので、高歩留まりで高信頼性の接続に対応した超音波接合用のＦＣＢ装置を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、半導体素子を回路基板に接合するフリップチップ実装装置の接合ヘッドにおいて、半導体素子へ超音波振動を加える超音波振動子と、半導体素子へ荷重を加える加圧治具と、可視光の光源と、光源から可視光を導く光ファイバーとを備え、接合ヘッド本体上面に光ファイバーにより導いた可視光を受け蓄熱した熱を半導体素子に伝えることを特徴とする。

また、光ファイバーは加圧治具に固定され、光ファイバーと接合ヘッド本体との間には隙間を有していることを特徴とする。

さらには、半導体素子を回路基板に接合するフリップチップ実装装置の接合ヘッドにおいて、半導体素子へ超音波振動を加える超音波振動子と、半導体素子へ荷重を加える加圧治具と、電気ヒーターとを備え、電気ヒーターからの熱輻射により蓄熱した熱を半導体素子に伝えることを特徴とする。

また、電気ヒーターは加圧治具に固定され、電気ヒーターと接合ヘッド本体との間には隙間を有していることを特徴とする。

さらには、半導体素子を回路基板に接合するフリップチップ実装装置の接合ヘッドにおいて、半導体素子へ超音波振動を加える超音波振動子と、半導体素子へ荷重を加える加圧治具と、電気ヒーターとを備え、電気ヒーターに接触した熱伝導体を介して受けた熱を半導体素子に伝えることを特徴とする。

また、電気ヒーターは加圧治具に固定され、電気ヒーターと熱伝導体は前記接合ヘッドに接触していることを特徴とする。

また、熱伝導体は金属粒子が分散されたゴム材料で構成されていることを特徴とする。

また本発明のフリップチップ実装装置、回路基板上の半導体素子搭載領域にあらかじめ樹脂を塗布するユニットを有していることを特徴とする。

本発明によれば、上記したような超音波接合用のＦＣＢ装置を用いるため、機器の小型化や高性能化に伴う高密度（狭ピッチ）、多ピン実装を高歩留まりかつ高信頼性に実現できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における超音波接合用のＦＣＢ装置の一部を示す断面図である。なお、図４および図５を用いて説明した従来のＦＣＢ装置における部材と同一の部材、または同一機能の部材については同一の符号が付されている。

実施の形態１のＦＣＢ装置は、テープ状の柔軟な絶縁性フィルムに回路パターンが繰り返し形成された回路基板３が、ステージ１９上を、図１に示すように、右から左へと順送りされていく中で、次々と半導体素子１が実装されていく。まず、回路基板３上の半導体素子搭載領域に樹脂５が塗布される。このとき樹脂５は絶縁性樹脂（ＮＣＰ：Non Conductive Paste）で、後に樹脂５を硬化することにより半導体素子１と回路基板３の接合を補強する役割を果たす。樹脂５の塗布時間短縮のため、半導体素子搭載前にあらかじめ塗布治具２０を用いて回路基板３上に樹脂５を塗布している。

次に、接合ヘッド６に半導体素子１を真空吸着し、半導体素子１の電極と回路基板３の電極を位置合わせして加圧する。このとき、回路基板３上に塗布されている樹脂５は、加圧により半導体素子１の外側へ押し出され、半導体素子１の電極と回路基板３の電極が直接接触するようになる。一般的には半導体素子１または回路基板３のどちらかにバンプを形成されている。バンプや電極材料は、Ａｕ、Ｓｎ、Ｔｉ、ＴｉＷ、Ｎｉ、はんだ等が使われる。一方、接合ヘッド６は、光ファイバー１７を用いて接合ヘッド６の上面に照射光１８が照射されることであらかじめ加熱されており、一定温度に保持されている。光ファイバー１７には、赤外線を含む可視光が集光されて入力される。光ファイバー１７の本数は、図１に示すものでは、光ファイバー１７，１７’の２本であるが、加熱温度や接合ヘッド６の形状等により、１本若しくは複数本のどちらでも構わない。光ファイバー１７は加圧治具９の側面に固定されている。この時、光ファイバー１７は接合ヘッド６の上面には接触しないようにする。

これにより、光ファイバー１７は接合ヘッド６の上面には接触しないため、接合ヘッド６の超音波振動の効率を害することはない。また、光ファイバー１７から照射された照射光１８は、接合ヘッド６の上面のみに当たり、照射光１８が漏れて半導体素子搭載前の樹脂５に当たり硬化してしまうことがないため、半導体素子１の電極と回路基板３の電極との間へ樹脂が残ることによる電気的な接続不良の発生を防止できる。

次に、超音波振動子７により超音波振動を発生させ、接合ヘッド６を介して半導体素子１の電極に印加する。これにより、半導体素子１の電極と回路基板３の電極が接合され、電気的接続がなされる。同時に、接合ヘッド６の熱により、樹脂５が一部または完全硬化され、半導体素子１は回路基板３上に機械的にも固定される。次に、超音波印加と加圧を解除してフリップチップ接合が完了する。なお、樹脂５の硬化が不完全な場合には、テープ状の回路基板３を巻き取って、一括して加熱処理することで完全硬化させる。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における超音波接合用のＦＣＢ装置の一部を示す断面図である。図２の断面図は、図１に対し９０度方向の断面である。この実施の形態２のＦＣＢ装置の構成は、接合ヘッドの加熱部以外の部分は実施の形態１と同じであるため、接合ヘッドの加熱部以外の説明は省略する。

図２の接合ヘッド６の加熱部は、光ファイバーを用いずに、電気ヒーター２１で構成されている。電気ヒーター２１は、接合ヘッド６との間に隙間２２を空けて加圧治具９に固定されている。熱源が電気ヒーター２１であり、照射光漏れの心配がなく半導体素子搭載前の樹脂５が硬化してしまうことがないため、電極間への樹脂残りによる電気的な接続不良の発生を防止できる。また、接合ヘッド６の側面には接触していないため、接合ヘッド６の超音波振動の効率を害することはない。

ここで、電気ヒーター２１の本数は、図２に示すものでは、電気ヒーター２１，２１’の２本であるが、加熱温度や接合ヘッド６の形状等により、１本若しくは複数本のどちらでも構わない。また、隙間２２は、できるだけ小さい方が熱伝導効率がよいが、超音波振動の振幅が１〜３ミクロンであるため５ミクロン以上必要である。接合ヘッド６の側面のうち、超音波振動の方向と平行な側面に電気ヒーター２１を配置することで、隙間２２をさらに近づけることが可能になる。

さらに、接合ヘッド６の加熱温度制御用の熱電対の取り付け位置は、図２に示すように接合ヘッド６の側面に取り付けしなければならない。電気ヒーター２１が接合ヘッド６に非接触で温度制御のレスポンスが悪くなるためで、電気ヒーター２１を配置していない側面に熱電対２３を設置するのが望ましい。

（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３における超音波接合用のＦＣＢ装置の一部を示す断面図である。図３の断面図は図１に対し９０度方向の断面を示すものである。この実施の形態３のＦＣＢ装置の構成は、接合ヘッド６の加熱部以外の部分は実施の形態１と同じであるため、接合ヘッド６の加熱部以外の説明は省略する。

図３の接合ヘッド６の加熱部は、電気ヒーター２１と熱伝導体２４で構成されている。電気ヒーター２１は、接合ヘッド６との間に熱伝導体２４を挟み込み接触した状態で加圧治具９に固定されている。ここで、電気ヒーター２１の本数は、加熱温度や接合ヘッド６の形状等により、１本若しくは複数本のどちらでも構わない。電気ヒーター２１の取り付け位置は、接合ヘッド６の側面のうち、超音波振動の方向と平行な側面が望ましい。

熱伝導体２４は、ゴムの中に金属粒子を分散したような柔らかく、かつ熱伝導性のよい材料である。例えば、金属粒子径は５ミクロンから１０ミクロンでニッケルや銅を主成分とした材料を用い、ゴムは弾性変形が容易なシリコン系で厚さ３０ミクロンから１００ミクロン程度が望ましい。熱伝導体２４を形成するときに磁場を印加しながらゴムを固めると、ゴムの表面に金属粒子を露出させることができ、熱伝導性を向上させることができる。熱伝導体２４はこの他にグリスのような液状流体でもよい。

この熱伝導体２４を用いることにより、接合ヘッド６の超音波振動の効率を大きく害することはなく、しかも電気ヒーター２１から接合ヘッド６への熱伝導効率も十分に確保することができる。

これにより、熱源が電気ヒーター２１で、照射光漏れの心配がなく半導体素子１の搭載前の樹脂５を硬化してしまうことがないため、電極間への樹脂残りによる電気的な接続不良の発生を防止できる。

本発明に係る半導体装置は、機器が小型化したものとなるため、情報通信機器、民生用電子機器等に有用である。

本発明の実施の形態１におけるフリップチップ実装装置の一部を示す断面図本発明の実施の形態２におけるフリップチップ実装装置の一部を示す断面図本発明の実施の形態３におけるフリップチップ実装装置の一部を示す断面図従来のフリップチップ実装装置の一部を示す断面図従来のフリップチップ実装装置の一部を示す断面図

符号の説明

１半導体素子
３回路基板
４電極
５樹脂
６接合ヘッド
７超音波発振子
８超音波ホーン
９加圧治具
１０ランプ
１１光源
１２照射光
１３反射光
１４光ファイバー
１５照射光
１６反射光
１７光ファイバー
１８照射光
１９ステージ
２０塗布治具
２１電気ヒーター
２２隙間
２３熱電対
２４熱伝導体

Claims

半導体素子を回路基板に接合するフリップチップ実装装置の接合ヘッドにおいて、
前記半導体素子へ超音波振動を加える超音波振動子と、
前記半導体素子へ荷重を加える加圧治具と、
可視光の光源と、
前記光源から可視光を導く光ファイバーとを備え、
接合ヘッド本体上面に前記光ファイバーにより導いた可視光を受け蓄熱した熱を前記半導体素子に伝えることを特徴とするフリップチップ実装装置の接合ヘッド。
前記光ファイバーは前記加圧治具に固定され、前記光ファイバーと前記接合ヘッド本体との間には隙間を有していることを特徴とする請求項１記載のフリップチップ実装装置の接合ヘッド。
半導体素子を回路基板に接合するフリップチップ実装装置の接合ヘッドにおいて、
前記半導体素子へ超音波振動を加える超音波振動子と、
前記半導体素子へ荷重を加える加圧治具と、
電気ヒーターとを有し、
前記電気ヒーターからの熱輻射により蓄熱した熱を前記半導体素子に伝えることを特徴とするフリップチップ実装装置の接合ヘッド。
前記電気ヒーターは前記加圧治具に固定され、前記電気ヒーターと前記接合ヘッド本体との間には隙間を有していることを特徴とする請求項３に記載のフリップチップ実装装置の接合ヘッド。
半導体素子を回路基板に接合するフリップチップ実装装置の接合ヘッドにおいて、
前記半導体素子へ超音波振動を加える超音波振動子と、
前記半導体素子へ荷重を加える加圧治具と、
電気ヒーターとを有し、
前記電気ヒーターに接触した熱伝導体を介して受けた熱を半導体素子に伝えることを特徴とするフリップチップ実装装置の接合ヘッド。
前記電気ヒーターは前記加圧治具に固定され、前記電気ヒーターと前記熱伝導体は前記接合ヘッド本体に接触していることを特徴とする請求項５記載のフリップチップ実装装置の接合ヘッド。
前記熱伝導体は金属粒子が分散されたゴム材料で構成されていることを特徴とする請求項６記載のフリップチップ実装装置の接合ヘッド。
請求項１〜７のいずれか１項記載の接合ヘッドと、前記回路基板上の半導体素子搭載領域にあらかじめ樹脂を塗布するユニットを有していることを特徴とするフリップチップ実装装置。